Collective spin reorientation-triggered large hysteresis-free magnetostriction with high strain sensitivity in TbMn6Sn6

La materia è raramente immobile come appare. Anche in un blocco solido di metallo, gli atomi sono incastrati in una griglia rigida, eppure i minuscoli campi magnetici generati dai loro elettroni interagiscono costantemente, spingendo e tirando l'uno contro l'altro. Quando queste forze magnetiche cambiano, possono talvolta tirare gli atomi stessi, facendo sì che l'intero materiale si allunghi o si restringa. Questo fenomeno, noto come magnetostrizione, è il motivo per cui alcuni dispositivi ronzano o vibrano quando scorre l'elettricità. Per decenni, gli scienziati hanno cercato materiali che potessero trasformare un campo magnetico in un movimento meccanico potente e preciso, sperando di costruire sensori, motori e strumenti medici migliori. La sfida è sempre stata trovare un materiale che si allunghi molto senza incastrarsi in un ciclo di isteresi, dove il materiale ricorda i suoi stati passati e rifiuta di tornare alla forma originale in modo pulito, e che risponda istantaneamente anche ai minimi cambiamenti della forza magnetica.

Un team di ricercatori ha identificato un cristallo specifico che fa esattamente questo. Studiando un composto composto da terbio, manganese e stagno, hanno scoperto un modo per innescare un allungamento massiccio e reversibile semplicemente applicando un campo magnetico. Il materiale, chiamato TbMn6Sn6, contiene strati di atomi disposti in un modello a nido d'ape. All'interno di questa struttura, i momenti magnetici degli atomi agiscono come minuscole bussole. Alla temperatura ambiente, queste bussole puntano principalmente verso l'alto e verso il basso, perpendicolarmente agli strati. Tuttavia, quando viene applicato un campo magnetico lateralmente, l'intero gruppo di bussole ruota insieme per puntare nella nuova direzione. Questa rotazione collettiva, che avviene senza che il materiale rimanga bloccato o resti indietro, fa sì che il cristallo si espanda e si contragga drasticamente. I ricercatori hanno scoperto che questo materiale può allungarsi di oltre 160 parti per milione alla temperatura ambiente, e l'effetto diventa ancora più forte al diminuire della temperatura, raggiungendo circa 400 parti per milione a 200 Kelvin. Forse la cosa più impressionante è che il materiale è incredibilmente sensibile; vicino a una specifica temperatura di transizione di circa 310 Kelvin, un minuscolo cambiamento nel campo magnetico produce un grande cambiamento nella forma del materiale, rendendolo uno dei materiali più reattivi mai misurati della sua categoria.

Per capire come ciò accada, gli scienziati hanno prima mappato il comportamento magnetico del cristallo. Hanno osservato che, all'aumentare del campo magnetico, il materiale non invertiva il suo magnetismo in modo brusco. Invezione, le bussole magnetiche ruotavano fluidamente dal puntare verso l'alto e verso il basso al posizionarsi piatte all'interno degli strati. Questa rotazione avviene entro un intervallo molto specifico di intensità del campo magnetico. I ricercatori hanno misurato la deformazione fisica del cristallo durante questo processo e hanno scoperto che l'allungamento avveniva quasi interamente all'interno di quello stesso intervallo ristretto. Una volta che le bussole avevano terminato la rotazione e si erano assestate nella nuova posizione piatta, l'allungamento si interrompeva e il materiale manteneva la sua nuova forma. Questo legame diretto tra la rotazione magnetica e l'allungamento fisico ha confermato che i due eventi stavano accadendo in sincronia. Il materiale si allungeva senza il disordinato ritardo o la "memoria" che solitamente affligge tali sistemi, il che significa che poteva essere acceso e spento ripetutamente con precisione perfetta.

Il team ha poi guardato all'interno del materiale per vedere cosa stesse accadendo su scala ridotta. Utilizzando un microscopio speciale che visualizza i campi magnetici, hanno osservato la struttura interna del cristallo al variare del campo magnetico. Hanno visto che il materiale è naturalmente diviso in regioni chiamate domini, dove le bussole magnetiche puntano in direzioni leggermente diverse, formando un modello a strisce. Mentre veniva applicato il campo magnetico, queste strisce non si limitavano a scivolare l'una accanto all'altra; si torcevano e si riorganizzavano completamente. L'intero modello di strisce si ricostruiva per adattarsi alla nuova direzione del campo magnetico. Questa osservazione in tempo reale ha dimostuto che l'allungamento non era causato dal movimento di pochi atomi qua e là, ma da una riorganizzazione collettiva e coordinata dell'intera struttura magnetica. Il materiale stava essenzialmente rimodellando il proprio paesaggio interno per accomodare il nuovo stato magnetico, e questa rimodellatura trascinava con sé il reticolo cristallino.

Per spiegare perché l'allungamento fosse così grande e così direzionale, i ricercatori si sono rivolti a simulazioni al computer basate sulle leggi della fisica quantistica. Hanno modellato come gli atomi e i loro campi magnetici interagiscono quando le bussole ruotano. I calcoli hanno mostrato che la rotazione cambia la distanza tra gli atomi in un modo che dipende dalla direzione del campo. Quando le bussole magnetiche ruotavano dall'alto verso il basso al lato, lo spazio tra gli strati di atomi cambiava, e la spaziatura all'interno degli strati si espandeva. Le simulazioni hanno rivelato che questo cambiamento era guidato dal modo in cui le forze magnetiche tra gli atomi, note come interazioni di scambio, rispondevano alla nuova orientazione. Le forze magnetiche tra gli atomi sono estremamente sensibili alla distanza tra gli atomi stessi. Quando le bussole magnetiche ruotavano, l'equilibrio di queste forze cambiava, facendo sì che gli atomi si sistemassero in una nuova disposizione, leggermente più ampia. Questo tiro alla fune microscopico tra forze magnetiche e spaziatura atomica è ciò che crea l'allungamento macroscopico che possiamo misurare.

Uno dei risultati più sorprendenti è stato la differenza tra quanto il materiale si allungasse e la velocità della sua risposta. Sebbene il materiale si allungasse di più alle temperature più basse, la sua capacità di reagire rapidamente a un campo magnetico variabile era massima vicino alla temperatura ambiente, precisamente intorno a 310 Kelvin. A questa temperatura, la rotazione magnetica avviene in un intervallo di intensità del campo magnetico molto stretto. Poiché l'intero processo di allungamento è compresso in una finestra così piccola di variazione magnetica, anche una minima spinta del campo magnetico produce una grande risposta meccanica. I ricercatori hanno calcolato questa sensibilità e hanno scoperto che è eccezionalmente alta, superando di gran lunga molti altri materiali noti. Ciò significa che, vicino a questa specifica temperatura, il materiale agisce come un convertitore altamente efficiente, trasformando un piccolo segnale magnetico in un significativo movimento meccanico. Lo studio esclude l'idea che questo effetto sia semplicemente dovuto all'espansione o contrazione del materiale a causa del calore; l'allungamento avviene solo quando viene applicato il campo magnetico, provando che è un risultato diretto della ricostruzione magnetica.

Il lavoro stabilisce un percorso chiaro per la progettazione di futuri materiali che possano essere controllati con campi magnetici. Comprendendo che una rotazione collettiva dei momenti magnetici può guidare una risposta meccanica grande, pulita e sensibile, gli scienziati possono ora cercare altri materiali con proprietà simili. La chiave è trovare sistemi in cui l'ordine magnetico possa essere riorganizzato facilmente e dove tale riorganizzazione sia strettamente accoppiata alla struttura fisica del cristallo. I ricercatori hanno dimostrato che in TbMn6Sn6, la transizione da uno stato magnetico all'altro non è solo un cambio di direzione, ma una ristrutturazione fondamentale delle forze interne del materiale. Questa ristrutturazione trascina gli atomi in una nuova configurazione, creando un effetto meccanico potente e preciso. Le scoperte suggeriscono che, ingegnerizzando i materiali affinché subiscano transizioni collettive simili, potrebbe essere possibile creare dispositivi più reattivi, efficienti e affidabili di quelli attualmente disponibili. Lo studio fornisce una guida su come sfruttare il potere della ricostruzione magnetica per costruire la prossima generazione di materiali intelligenti.