Gli spin influenzano la struttura cristallina dell'ossigeno solido sotto campi magnetici estremi, ha scoperto uno studio.

8 novembre 2025    caratteristica

di Ingrid Fadelli, Phys.org

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modificato da                                                                    Sadie Harley, recensito da Robert Egan

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Mettere materiali sotto campi magnetici estremamente forti può dare origine a fenomeni fisici o comportamenti insoliti e affascinanti. In particolare, gli studi mostrano che sotto campi magnetici superiori a 100 tesla (T), gli spin (cioè, orientamenti magnetici intrinseci degli elettroni) e gli atomi iniziano a formare nuovi arrangiamenti, promuovendo nuove fasi della materia o allungando una griglia cristallina.

Un effetto fisico che può verificarsi in queste condizioni estreme è noto come magnetostrizione. Questo effetto essenzialmente induce la struttura cristallina di un materiale a allungarsi, restringersi o deformarsi.

Quando vengono prodotti sperimentalmente campi magnetici superiori a 100 T, possono essere mantenuti solo per un tempo molto breve, tipicamente per pochi microsecondi. Questo perché la loro generazione pone grandi stress sui fili utilizzati per produrre i campi (ossia, bobine), facendoli rompere quasi immediatamente.

Ricercatori dell'Università delle Comunicazioni Elettriche di Tokyo, del RIKEN e di altri istituti in Giappone hanno recentemente sviluppato nuove attrezzature per produrre brevemente campi magnetici estremamente forti intorno a 110 T e quindi catturare le posizioni degli atomi nei materiali sotto questi campi.

In un articolo pubblicato su Physical Review Letters, riportano nuove informazioni raccolte applicando questi metodi allo studio dell'ossigeno solido.

'L'obiettivo principale dello studio è esplorare il mondo estremo dei campi magnetici ultra-alto di 100-1.000 T,' Akihiko Ikeda, primo autore dell'articolo, ha detto a Phys.org. 'Nello studio, abbiamo condotto un esperimento a raggi X sopra i 100 T per la prima volta, che è significativo in termini di esplorare la frontiera.'

Per effettuare i loro esperimenti, Ikeda e i suoi colleghi hanno utilizzato un generatore di campo magnetico portatile da loro sviluppato, chiamato PINK-02. Questo generatore ha permesso loro di produrre un campo magnetico estremamente alto di circa 110 T per pochi microsecondi.

Successivamente i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia laser per lanciare impulsi di raggi X XFEL ultra rapidi ai cristalli di ossigeno solidi che erano esposti a questo campo magnetico estremamente forte. Questo approccio ha permesso loro di catturare istantanee che mostravano le posizioni degli atomi di ossigeno solidi durante l'impulso magnetico.

'La novità del nostro articolo è il nuovo generatore portatile da 100 T chiamato PINK-02, che è essenziale per lo studio,' spiega Ikeda. 'Questo generatore è stato combinato con il laser a raggi X a elettroni liberi, che è possibile solo a causa della portabilità di PINK-02.'

In definitiva, il team ha analizzato le istantanee e confrontato le posizioni degli atomi prima e durante l'esposizione dell'ossigeno solido al campo magnetico di 110T. Ciò ha prodotto risultati interessanti, mostrando che il cristallo ha subìto una gigantesca magnetostrizione ed è stato allungato di circa l'1%.

I ricercatori hanno collegato la magnetostrizione osservata alle interazioni di spin concorrenti e alle forze di rete sotto campi magnetici forti. Quindi, il loro lavoro suggerisce che sotto campi magnetici oltre i 100 T, gli spin influenzano la struttura cristallina dei materiali solidi, in particolare dell'ossigeno solido.

In futuro, il generatore di campi magnetici che hanno sviluppato e il laser a raggi X utilizzato potrebbero essere utilizzati per studiare altri materiali nelle stesse condizioni estreme.

'I nostri risultati dimostrano che gli spin possono influenzare la stabilità della struttura cristallina di un materiale, nel caso del nostro studio quello dell'ossigeno solido,' ha aggiunto Ikeda.

'Ora cercheremo di scoprire la struttura cristallina dell'ossigeno solido chiamata fase θ, aumentando ulteriormente i campi magnetici disponibili fino a 120-130 T e scopriremo il cambiamento della struttura cristallina in vari materiali sopra i 100 T.'

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Maggiori informazioni:                 Akihiko Ikeda et al, Osservazione della magnetostrizione gigante e anisotropica in β-O2 a 110 Tesla, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r7br-qnrn.

Informazioni sulla rivista: Lettere di revisione fisiche

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