Una scoperta sul magnetismo può aprire la porta a forti risparmi

Gli scienziati dell’Ames National Laboratory e dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno condotto un’indagine approfondita sul materiale topologico stratificato “Kagome TbMn6Sn6” per comprenderne meglio le caratteristiche magnetiche. Questi risultati potrebbero avere un impatto sui futuri progressi tecnologici nel campo dell’informatica quantistica, dei supporti di memorizzazione magnetica e dei sensori ad alta precisione.

La ricerca è discussa nell’articolo “Low-temperature competing magnetic energy scales in the topological ferrimagnet TbMn6Sn6”, pubblicato su Physical Review X. I “kagome” sono un tipo di materiale la cui struttura prende il nome da una tecnica tradizionale giapponese di tessitura di cesti. L’intreccio produce un motivo di esagoni circondati da triangoli e viceversa. La disposizione degli atomi nei metalli Kagome riproduce il motivo della tessitura. Questa caratteristica fa sì che gli elettroni all’interno del materiale si comportino in modi unici.

Cesto Kagome

Struttura Kagome

I materiali solidi hanno proprietà elettromagnetiche controllate dalla loro struttura a bande elettroniche. La struttura a bande dipende fortemente dalla geometria del reticolo atomico e, a volte, le bande possono assumere forme particolari, come i coni. Queste forme speciali, chiamate caratteristiche topologiche, sono responsabili del comportamento unico degli elettroni in questi materiali. La struttura Kagome, in particolare, porta a caratteristiche complesse e potenzialmente regolabili nelle bande elettroniche.

L’uso di atomi magnetici per costruire il reticolo di questi materiali, come il Mn in TbMn6Sn6, può contribuire ulteriormente a indurre caratteristiche topologiche. Rob McQueeney, scienziato dell’Ames Lab e responsabile del progetto, ha spiegato che i materiali topologici “hanno una proprietà speciale per cui, sotto l’influenza del magnetismo, si possono ottenere correnti che scorrono sul bordo del materiale, che sono prive di dissipazione, il che significa che gli elettroni non si disperdono e non dissipano energia”.

Il team ha cercato di capire meglio il magnetismo del TbMn6Sn6 e ha utilizzato i calcoli e i dati di scattering neutronico raccolti dalla Oak Ridge Spallation Neutron Source per condurre la propria analisi. Simon Riberolles, ricercatore associato post-doc presso l’Ames Lab e membro del team del progetto, ha spiegato la tecnica sperimentale utilizzata dal team. La tecnica prevede un fascio di particelle di neutroni che viene utilizzato per verificare la rigidità dell’ordine magnetico. “La natura e la forza delle diverse interazioni magnetiche presenti nei materiali possono essere mappate con questa tecnica”, ha detto.

Hanno scoperto che il TbMn6Sn6 ha interazioni concorrenti tra gli strati, o quello che viene chiamato magnetismo frustrato. “Di solito ciò significa che, se lo si eccita, è possibile fargli fare cose diverse. Ma quello che abbiamo scoperto in questo materiale è che anche se ci sono queste interazioni concorrenti, ci sono altre interazioni che sono dominanti”.

Questa è la prima indagine dettagliata sulle proprietà magnetiche del TbMn6Sn6 ad essere pubblicata. “Nella ricerca è sempre emozionante quando si capisce qualcosa di nuovo o si misura qualcosa che non è stato visto prima o che è stato capito parzialmente o in modo diverso”, ha detto Riberolles.

McQueeney e Riberolles hanno spiegato che i loro risultati suggeriscono che il materiale potrebbe essere regolato per specifiche caratteristiche magnetiche, ad esempio cambiando il Tb con un diverso elemento di terra rara, che cambierebbe il magnetismo del composto. Questa ricerca fondamentale apre la strada a continui progressi nella scoperta dei metalli Kagome.

Questo è solo il primo passo, compiuto. I risultati di questa ricerca saranno probabilmente applicati a un elenco più lungo di quello sopra riportato. Gli elettromagneti e gli avvolgimenti elettrici o i fili che girano intorno a qualcosa servono a creare un campo magnetico. Il problema di base è che questi fili sono lunghi e subiscono una “perdita di linea” come calore. Milioni di generatori a base di filo elettrico di rame sono in uso attualmente. Utilizzare un conduttore metallico con struttura a Kagome significa ridurre ai minimi le dispersioni elettriche e la loro trasformazione in calore. La prospettiva di risparmi energetici è enorme. 

Questi magneti fanno andare i motori e i trasformatori forniscono energia alle case e alle aziende, oltre a una lista immensa di altre applicazioni.

Si tratta di un lavoro importante per il risparmio energetico e per rendere disponibile più energia a fronte di una minore spesa elettrica. Speriamo che il lavoro di questo team acceleri e offra risultati sempre maggiori e presto scalabili.