Spingersi oltre i limiti: rilevare l'effetto Hall anomalo senza magnetizzazione in una nuova classe di materiali
La prima evidenza sperimentale dell'effetto Hall anomalo che emerge in un antiferromagnete collineare con comportamento da liquido non-Fermi
Un team di ricerca internazionale guidato da Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu e Satoru Nakatsuji dell'Università di Tokyo, insieme a Collin Broholm della Johns Hopkins University, ha scoperto l'effetto Hall anomalo in un antiferromagnete collineare. In particolare, l'effetto Hall anomalo emerge da uno stato liquido non-Fermi, in cui gli elettroni non interagiscono secondo i modelli convenzionali. La scoperta non solo mette in discussione il quadro di riferimento dei libri di testo per l'interpretazione dell'effetto Hall anomalo, ma amplia anche la gamma di antiferromagneti utili per le tecnologie dell'informazione.
La ricerca di base contribuisce all'innovazione tecnologica approfondendo la comprensione dell'interazione tra antiferromagnetismo, topologia delle bande e interazioni forti tra elettroni.
Ray et al 2025
Gli spin sono proprietà intrinseche degli elettroni, tipicamente descritte come "up" o "down". Nei ferromagneti, gli spin si allineano nella stessa direzione, magnetizzando il materiale. Questa magnetizzazione può portare a una tensione perpendicolare alla corrente elettrica anche in assenza di un campo magnetico esterno; si tratta dell'effetto Hall anomalo. Al contrario, gli antiferromagneti presentano spin allineati in direzioni opposte, annullando di fatto la magnetizzazione. Ne consegue che l'effetto Hall anomalo non emerge negli antiferromagneti. Eppure è così.
"Ci sono stati rapporti precedenti sulla comparsa dell'effetto Hall anomalo in una certa classe di antiferromagneti collineari", dice Nakatsuji, il ricercatore principale. "Tuttavia, i segnali osservati erano estremamente deboli. Identificare un effetto Hall anomalo veramente privo di magnetizzazione era di grande interesse scientifico e tecnologico".
Questa impresa ha richiesto il coordinamento di diversi gruppi. Fu e i suoi colleghi sono stati responsabili dell'impostazione sperimentale per misurare l'effetto. Hanno utilizzato una famiglia di materiali chiamati dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD) come blocchi di costruzione bidimensionali (2D). Inserendo ioni magnetici tra gli strati atomici, i ricercatori hanno potuto controllare i movimenti e le interazioni degli elettroni. La struttura modificata, ora in 3D, aveva il potenziale per esibire nuovi comportamenti che non sarebbero stati possibili solo in 2D. Finalmente i ricercatori hanno potuto effettuare misurazioni dell'effetto Hall anomalo in un'ampia gamma di temperature e campi magnetici. Inoltre, il gruppo di Broholm ha fornito prove microscopiche che confermano la struttura antiferromagnetica collineare del materiale. I risultati sono stati poi combinati con l'analisi teorica e i calcoli effettuati dal gruppo di Ryotaro Arita alla UTokyo.
"Una delle sfide principali del nostro progetto di ricerca è stata la costruzione di una narrazione scientifica coerente a partire dalle nostre osservazioni", spiega Fu, co-capofila dell'articolo. "Ogni fase ha richiesto un'attenta interpretazione, soprattutto a causa del disordine strutturale comunemente presente nei sistemi di dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD)".
La misura risultante è la prima forte prova sperimentale dell'effetto Hall anomalo osservato negli antiferromagneti collineari. Poiché comunemente si ritiene che l'effetto Hall anomalo vada di pari passo con la magnetizzazione, il rilevamento suggerisce che è in gioco qualcosa che va ben oltre la comprensione standard. I ricercatori sospettano che il fenomeno sia radicato nella struttura unica delle bande di elettroni del materiale, che provoca un grande "campo magnetico virtuale" e aumenta l'effetto Hall anomalo in assenza di magnetizzazione. Nakatsuji spiega i prossimi passi.
"Stiamo cercando conferme sperimentali per questa ipotesi e stiamo portando avanti attivamente una serie di studi successivi utilizzando tecniche complementari, tra cui la spettroscopia Raman, per scoprire i meccanismi sottostanti".
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Pubblicazione originale
Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; "Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2"; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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