Nuovo metamateriale presenta transizioni di stato simili a quelle dell’acqua

I ricercatori svizzeri del Paul Scherrer Institute, un centro di ricerca multidisciplinare per le scienze naturali e la tecnologia vicino a Zurigo, hanno creato un nuovo metamateriale, le cui proprietà magnetiche gli conferiscono la caratteristica di mutare stato al variare della temperatura proprio come l’acqua, che può assumere lo stato gassoso, liquido o solido.

I metamateriali sono materiali realizzati artificialmente che presentano appunto delle proprietà magnetiche singolari non solo in virtù della loro composizione molecolare, ma anche della geometria con cui sono strutturati.

In questo caso il materiale è costituito da un miliardo di piccoli magneti dalla forma di un chicco di riso, ma lunghi appena 63 nanometri, che sono stati disposti con un pattern a nido d’ape su di un sottostrato, formando un’area totale di 5 per 5 millimetri.

Analizzando il materiale con un particolare sistema di misurazione a temperatura ambiente è stato osservato che non esisteva un ordine nell’orientazione magnetica: i poli magnetici dei singoli chicchi erano infatti orientati in maniera del tutto casuale. Abbassando la temperatura in maniera graduale e costante è stato rilevato che i singoli componenti assumevano un’orientamento molto più regolare, interagendo in parte tra loro. Scendendo ancora con la temperatura si è arrivati ad un punto in cui l’orientamento magnetico risultava quasi congelato su una scala ancora più grande, un processo simile a quello che accade alle molecole di acqua quando ghiacciano.

Il leader del team di ricerca al PSI, Laura Heyderman, si è detta sorpresa dalle osservazioni: “Eravamo sorpresi ed eccitati. Solo i sistemi complessi sono in grado di mostrare transizioni di fase” ha dichiarato, “Eravamo affascinati dal fatto che il nostro materiale sintetico mostrasse questo fenomeno di tutti i giorni”.

Le misurazioni che i ricercatori hanno utilizzato per osservare l’orientazione magnetica possono essere condotte solo al PSI. L’istituto è stato concepito come complemento agli esperimenti ad alta energia condotti al Large Hadron Collider (LHC) del Cern. L’equipaggiamento di punta comprende uno strumento, conosciuto come Swiss Muon Source (SμS), che usa fasci di muoni come sonde magnetiche per rilevare proprietà magnetiche su nanoscala.

L’esperimento verrà portato a livelli superiori provando ad influenzare le transizioni facendo modifiche alle dimensioni, alle forme e alla disposizione dei nanomagneti. Questo potrebbe condurre alla creazione di nuovi stati della materia e a nuove applicazioni per il materiale. I singoli atomi nei materiali naturali non possono essere riarrangiati su una scala così grande, il vantaggio di questo materiale sintetico è proprio che può essere personalizzato. Come spiega la Heyderman: “La bellezza di tutto questo è che transizioni di fase configurate su misura potrebbero permettere ai metamateriali di adattarsi specificamente per diverse esigenze in futuro”.

I sistemi complessi potrebbero permettere nuovi tipi di trasferimento delle informazioni, ma con la loro adattabilità i metamateriali potrebbero essere una vera rivoluzione. Oltre a facilitare il trasferimento delle informazioni potrebbero essere usati nell’immagazzinamento dei dati, nella spintronica, o in sensori per le misurazioni dei campi magnetici.

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