Quello strano comportamento dello spin ice

Lo spin ice è un materiale molto particolare, in grado di infrangere la terza legge della termodinamica creando monopoli magnetici e magnetricità. Un nuovo studio appena pubblicato su Nature mostra ora che è possibile controllare e manipolare queste sue proprietà

La cosiddetta magnetricità è un flusso ordinato di corrente magnetica che si crea in presenza di un campo magnetico indotto. In poche parole è l’equivalente magnetico dell’energia elettrica. A lungo teorizzata, la sua esistenza è stata individuata sperimentalmente nel 2009 nel cosiddetto spin ice, o ghiaccio di spin, un materiale che può essere manipolato per produrre monopoli magnetici. A temperature bassissime gli ioni di questi cristalli si dispongono infatti in piccoli pacchetti di cariche magnetiche che possono muoversi in flussi ordinati dando vita a una corrente magnetica simile a quella elettrica creata dagli elettroni in movimento. Oggi gli scienziati stanno imparando a manipolare sempre meglio questo materiale, e le prime applicazioni pratiche nelle alte tecnologie sono sempre più vicine. Prima di arrivare a questo, però, bisognerà imparare a conoscere alla perfezione l’esatto comportamento, teorico e pratico, dello spin ice, le cui potenzialità rimangono per molti versi ancora misteriosi. Una novità importante arriva per esempio da uno studio pubblicato ieri su Nature Communications a firma di un team di ricercatori del London Centre for Nanotechnology (LCN), in collaborazione con gli scienziati di Oxford e Cambridge. Contro le aspettative, si legge nel paper, la terza legge della termodinamica potrebbe essere ripristinata creando pellicole sottili di spin ice.

Andiamo per ordine. La terza legge della termodinamica afferma che allo zero assoluto (ovvero lo zero Kelvin), l’entropia (una misura del disordine molecolare del sistema) di un cristallo perfetto è a sua volta zero. Il sistema raggiunge cioè la minima energia possibile alla temperatura più bassa che c’è. Lo spin ice rappresenta un’eccezione a questa regola. Questo materiale non mostra infatti di avere un unico stato minimo di energia, ed è proprio questa “casualità” a conferirgli proprietà che gli altri materiali solitamente non hanno, come la presenza di monopoli magnetici. Per questo nuovo studio i ricercatori hanno lavorato però con pellicole ultra-sottili di spin ice dello spessore di pochi nanometri, mai fabbricate prima. E quello che hanno osservato è che vicino allo zero assoluto queste pellicole continuano a comportarsi come si comporta ogni spin ice vicino allo zero assoluto. Questo, però, solo se si rimane sopra i 2 gradi Kelvin. Abbassando ancora di più la temperatura, a circa mezzo grado sopra lo zero assoluto, il normale (anomalo) comportamento dei ghiacci di spin sparisce nelle pellicole, che vanno quindi a ripristinare la terza legge della termodinamica. La deformazione dei cristalli in pellicole sottili altera in pratica le normali proprietà di questi materiali.

“Questo risultato dimostra che possiamo cambiare drasticamente e controllare lo stato degli spin ice” spiega Laura Bovo, del London Centre for Nanotechnology e autrice principale dello studio. “E apre nuove possibilità per il controllo e la manipolazione della magnetricità e dei monopoli magnetici dispin ice“. Steve Bramwell, del dipartimento di Fisica alla UCL, co-autore dello studio aggiunge: “Il ripristino della terza legge della termodinamica nei film sottili di spin ice rappresenta una svolta inaspettata nella storia di questi materiali. Come la terza legge venga prima violata e poi ripristinata è una interessante questione di fisica di base”.

Fonte