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Introduzione

I magneti permanenti più potenti oggi contengono un mix di elementi di neodimio e ferro. Tuttavia, il neodimio da solo non si comporta come ci si aspetterebbe da un magnete e questo ha confuso i ricercatori per oltre mezzo secolo. I fisici della Radboud University e della Uppsala University hanno dimostrato che il neodimio si comporta come un cosiddetto “self-induced spin glass“, il che significa che è composto da un mare increspato di molti piccoli magneti vorticosi che circolano a velocità diverse e in costante evoluzione nel tempo. 

Per gentile concessione di Daniel Wegner

I risultati sono stati pubblicati il 29 maggio su Science.

Comprendere questo nuovo tipo di comportamento magnetico raffina la nostra comprensione degli elementi sulla tavola periodica e alla fine potrebbe aprire la strada a nuovi materiali per l’intelligenza artificiale.

“In un barattolo di miele, potresti pensare che le aree un tempo limpide che diventavano giallo latte siano andate a male. Ma piuttosto, il barattolo di miele inizia a cristallizzare. Ecco come potresti percepire il processo di “invecchiamento” nel neodimio.” Alexander Khajetoorians, professore di microscopia con sonda a scansione, insieme al professore Mikhail Katsnelson e all’assistente professore Daniel Wegner, ha scoperto che il neodimio si comporta in un modo magnetico complesso che nessuno aveva mai visto prima in un elemento della tavola periodica.

Magneti vorticosi

I magneti sono definiti da un polo nord e sud. Sezionando un normale magnete da frigorifero, si trovano molti magneti atomici, i cosiddetti “spins“, che sono tutti allineati lungo la stessa direzione e definiscono il polo nord e sud. Diversamente, alcuni materiali in lega possono essere un “spin glass“, punti di rotazione posizionati casualmente in tutti i tipi di direzioni. Gli spin glasses derivano il loro nome dalla struttura in evoluzione amorfa degli atomi in un pezzo di vetro. In questo modo, gli spin glasses collegano il comportamento magnetico ai fenomeni nella materia più morbida, come liquidi e gel.

È noto che gli spin glasses, a volte, si presentano in leghe, che sono combinazioni di metalli con uno o più altri elementi e con una struttura amorfa, ma mai in elementi puri della tavola periodica. Sorprendentemente, i ricercatori della Radboud hanno scoperto che gli spin atomici di un pezzo perfettamente ordinato del neodimio formano schemi che turbinano come un’elica ma cambiano costantemente l’esatto schema di quest’ultima. Questa è la manifestazione di un nuovo stato della materia chiamato “self-induced spin glass“.

Vedere la struttura magnetica

A Nimega, siamo specialisti nella scansione di microscopia a tunnel (STM). Ci consente di vedere la struttura dei singoli atomi e possiamo risolvere i poli nord e sud degli atomi“, spiega Wegner. “Con questo progresso nell’imaging ad alta precisione, siamo stati in grado di scoprire il comportamento nel neodimio, perché siamo riusciti a individuare i cambiamenti incredibilmente piccoli nella struttura magnetica. Non è una cosa facile da fare“.

Un materiale che si comporta come i neuroni

Questa scoperta apre la possibilità che questo comportamento magnetico complesso possa essere osservato anche in nuovi materiali non numerabili, inclusi altri elementi nella tavola periodica. Khajetoorians afferma: “Raffinerà la conoscenza da manuale delle proprietà di base della materia. Ma fornirà anche un banco di prova per sviluppare nuove teorie in cui possiamo collegare la fisica ad altri campi, ad esempio la neuroscienza teorica“.

La complessa evoluzione del neodimio può essere una piattaforma per imitare il comportamento di base utilizzato nell’intelligenza artificiale“, continua Khajetoorians. “Tutti i modelli complessi che possono essere memorizzati in questo materiale possono essere collegati al riconoscimento delle immagini“.

Con l’avanzamento dell’intelligenza artificiale e la sua grande impronta energetica, vi è una crescente domanda per creare materiali in grado di eseguire attività simili al cervello direttamente nell’hardware. “Non potresti mai costruire un computer ispirato al cervello con semplici magneti, ma materiali con questo comportamento complesso potrebbero essere candidati idonei”, afferma Khajetoorians.

Citazioni e Approfondimenti

  • New ‘whirling’ state of matter discovered in an element of the periodic table, by Radboud University Nijmegen
  • Umut Kamber et al., Self-induced spin glass state in elemental and crystalline neodymium – Science,   29 May 2020: Vol. 368, Issue 6494, eaay6757 – DOI: 10.1126/science.aay6757