Ένα νέο είδος σιδηρομαγνητισμού, διαφορετικό από αυτό που έχουμε στα μαγνητάκια των ψυγείων μας, ανακάλυψαν επιστήμονες στο ETH Zurich.
Όπως αναφέρεται σε σχετική ανακοίνωση, σε αυτό τον «κινητικό μαγνητισμό» το υλικό γίνεται μαγνητικό επειδή η ενέργεια από την κίνηση των ηλεκτρονίων ελαχιστοποιείται όταν οι μαγνητικές στιγμές ευθυγραμμίζονται. Για να εντοπίσουν αυτό το φαινόμενο, οι επιστήμονες παρήγαγαν ένα τεχνητό υλικό και το έψυξαν σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Για να κολλήσει στην πόρτα του ψυγείου ένας μαγνήτης, πρέπει να λαμβάνουν χώρα κάποιες προϋποθέσεις: Οι μαγνητικές στιγμές όλων των ηλεκτρονίων πρέπει να «κοιτούν» προς την ίδια κατεύθυνση, ακόμα και αν δεν τις βάζουν να το κάνουν αυτό κάποιες εξωτερικές δυνάμεις μαγνητικών πεδίων. Αυτό συμβαίνει λόγω ενός συνδυασμού ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλεκτρονίων και κβαντικές μηχανικές επιδράσεις των σπιν των ηλεκτρονίων, που, με τη σειρά τους, ευθύνοτναι για τις μαγνητικές στιγμές. Αυτό είναι μια κοινή εξήγηση για το ότι κάποια συγκεκριμένα υλικά είναι σιδηρομαγνητικά, ή μόνιμα μαγνητικά, αρκεί κάποιος να μην τα πάει πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
Στο ΕΤΗ Zurich ομάδα ερευνητών από των Ατάτς Ιμάμογλου στο Ινστιτούτο Κβαντικής Ηλεκτρονικής και τον Γιουτζίν Ντέμλερ στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής εντόπισαν ένα νέο είδος σιδηρομαγνητισμού σε ένα τεχνητά παραγόμενο υλικό, όπου η ευθυγράμμιση των μαγνητικών στιγμών λαμβάνει χώρα με διαφορετικό τρόπο. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο Nature.
Στο εργαστήριο του Ιμάμογλου, ερευνητές παρήγαγαν ένα ειδικό υλικό με εξαιρετικά λεπτά (σε ατομικό επίπεδο) στρώματα δύο διαφορετικών υλικών-ημιαγωγών, το ένα πάνω στο άλλο. Στο «πλάνο» επαφής, οι διαφορετικές σταθερές πλέγματος (lattice constants) των δύο υλικών- το πόσο χωρίζονται τα άτομά τους- οδηγεί σε μια δύο διαστάσεων δομή με μια μεγάλη σταθερά πλέγματος, που μπορεί να γεμίσει με ηλεκτρόνια, εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση.
Ο Ιμάμογλου και οι συνεργάτες του μέτρβσαν εάν σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο γεμίσματος το υλικό ήταν παραμαγνητικό, με τις μαγνητικές του στιγμές να έχουν τυχαίο προσανατολισμό, ή σιδηρομαγνητικό. Σε αυτό το πλαίσιο, φώτισαν το υλικό με λέιζερ και μέτρησαν πόσο ισχυρή ήταν αντανάκλαση, για διαφορετικές πολώσεις (αυτό επιτρέπει να διαπιστωθεί εάν τα σπιν “βλέπουν” στην ίδια κατεύθυνση ή όχι, οπότε και μπορεί να υπολογιστεί το επίπεδο μαγνητισμού).
Αυξάνοντας σταθερά την τάση, οι ερευνητές γέμισαν το υλικό με ηλεκτρόνια και μέτρησαν το επίπεδο μαγνητισμού. Μέχρι ένα σημείο το υλικό παρέμενε μαγνητικό, μέχρι που κάποια στιγμή άρχισε ξαφνικά να συμπεριφέρεται σαν σιδηρομαγνήτης. «Αυτό ήταν απόδειξη ενός νέου τύπου μαγνητισμού που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την αλληλεπίδραση των ανταλλαγών» είπε ο Ιμάμογλου.
Ο Γιουτζίν Ντέμλερ, σε συνεργασία με τον μεταδιδακτορικό Ιβάν Μορέρα, είχαν μια ιδέα: Να δουν έναν μηχανισμό που είχε σκεφτεί ο Ιάπωνας φυσικός Γιοσούκε Ναγκαόκα από το 1996. Σε αυτό το μηχανισμό, κάνοντας τα σπιν να «δουν» προς την ίδια κατεύθυνση, τα ηλεκτρόνια ελαχιστοποιούν την κινητική ενέργεια, που είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια από τις ανταλλαγές. Στο πείραμα που έγινε παρατηρήθηκε πως κάτι τέτοιο συμβαίνει αμέσως μόλις υπάρξει πάνω από ένα ηλεκτρόνιο ανά πλέγμα στο πλέγμα του υλικού. Ως αποτέλεσμα, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας «δουβλόνια». Η κινητική ενέργεια ελαχιστοποιείται όταν τα δουβλόνια εξαπλώνονται. Αυτό, ωστόσο, είναι δυνατόν μόνο αν τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια στο πλέγμα ευθυγραμμίζουν τα σπιν τους σιδηρομαγνητικά. «Ως τώρα, τέτοιοι μηχανισμοί κινητικού μαγνητισμού είχαν εντοπιστεί μόνο σε συστήματα- μοντέλα» είπε ο Ιμάμογλου.