Svelando i Segreti Magnetici del CsV3Sb5: Un Viaggio con un Diapason Speciale

Amici della scienza e curiosi dell’infinitamente piccolo, oggi vi porto con me in un’avventura affascinante nel mondo dei materiali quantistici! Immaginate un materiale con una struttura atomica che ricorda un cesto intrecciato giapponese, chiamato reticolo “kagome”. Questi materiali sono diventati delle vere e proprie superstar nel campo della fisica della materia condensata perché promettono di ospitare fenomeni elettronici esotici e particelle mai viste prima. Tra questi, il metallo CsV3Sb5 (Cesio-Vanadio-Antimonio) è un vero rompicapo, un tesoro di comportamenti complessi che includono magnetismo frustrato, onde di densità di carica (CDW) topologiche e persino superconduttività. Un vero e proprio parco giochi per fisici come noi!

Il Mistero del Magnetismo Nascosto

Una delle questioni più dibattute riguardo al CsV3Sb5 è la natura di un particolare stato di onda di densità di carica che, secondo alcune ipotesi, romperebbe la simmetria temporale. Detta in parole povere, significa che il materiale potrebbe avere una sorta di “freccia del tempo” interna a livello microscopico, una caratteristica spesso associata al magnetismo. Tuttavia, nonostante molti indizi, la prova definitiva di un ordine magnetico statico e a lungo raggio, con momenti magnetici ben definiti, continuava a sfuggirci. C’era un gran fermento nella comunità scientifica: alcuni esperimenti suggerivano questa rottura della simmetria temporale, altri non ne trovavano traccia. Insomma, un bel dilemma! Il nostro obiettivo? Cercare di fare luce su questa faccenda, in particolare sulla natura del magnetismo a basse temperature in questo composto.

Il Nostro Strumento Segreto: Un Diapason Super Sensibile

Per affrontare questa sfida, abbiamo deciso di utilizzare una tecnica tanto elegante quanto potente: un risonatore a diapason. No, non quello per accordare gli strumenti musicali, anche se il principio è simile! Si tratta di un minuscolo diapason di quarzo, sulla cui punta abbiamo montato un cristallo purissimo di CsV3Sb5, spesso appena 3.4 micron. Questo dispositivo ci permette di misurare con estrema precisione la cosiddetta suscettività magnetotropica. Senza entrare in dettagli troppo tecnici, questa grandezza ci dice come l’energia libera del campione cambia quando lo ruotiamo in un campo magnetico. Le variazioni della frequenza di risonanza del diapason sono direttamente proporzionali a questa suscettività magnetotropica, svelandoci l’anisotropia magnetica del materiale, cioè se preferisce allinearsi in una direzione piuttosto che in un’altra rispetto al campo magnetico.

Abbiamo sottoposto i nostri campioni di CsV3Sb5, di qualità eccezionale, a un’ampia gamma di condizioni: campi magnetici fino a 9 Tesla, temperature che spaziavano dai gelidi 20 millikelvin (vicinissimi allo zero assoluto!) fino a 110 Kelvin, e abbiamo ruotato il campione con grande precisione.

Una Cascata di Sorprese e un Magnetismo Inaspettato

Ebbene, i risultati sono stati a dir poco entusiasmanti! Abbiamo osservato una vera e propria cascata di transizioni di fase man mano che abbassavamo la temperatura. Ma la scoperta più intrigante è emersa intorno ai 30 Kelvin (-243 gradi Celsius). Sotto questa temperatura, il comportamento della suscettività magnetotropica cambiava drasticamente. In particolare, quando il campo magnetico era allineato parallelamente ai piani del reticolo kagome (B∥ab), la variazione della frequenza di risonanza (Δf) mostrava dei “picchi” o “avvallamenti” molto netti, indicando una struttura magnetica estremamente anisotropica. Questo comportamento ci suggeriva la presenza di un momento magnetico orientato prevalentemente lungo l’asse c del cristallo (perpendicolare ai piani kagome), ma con una magnitudine incredibilmente piccola!

Questa anomalia a 30 K, così netta e pronunciata, ci ha convinto di aver individuato un confine di fase magnetica, in perfetto accordo con altre misure sperimentali (come la conduttività non lineare e la risonanza di spin muonico, μSR) che avevano già suggerito qualcosa di strano a quella temperatura. Il fatto che questo momento magnetico fosse così piccolo ma così marcatamente direzionale ci ha subito fatto pensare a un’origine non convenzionale.

Dinamiche Lente e Campi di Saturazione Minuscoli

Ma non è finita qui! Studiando come la suscettività magnetotropica dipendeva dal campo magnetico a 10 K, abbiamo notato un’altra stranezza. A campi magnetici relativamente alti (sopra 0.3 Tesla), il comportamento era quello anisotropo che avevamo già visto. Ma riducendo il campo, sotto circa 0.15 Tesla, il sistema tornava a un comportamento più “normale”, tipico di un materiale in regime lineare. Questo ci dice che basta un campo magnetico esterno molto piccolo (appena 0.2 Tesla) per saturare questo debolissimo momento magnetico lungo l’asse c, o per indurre una nuova fase magnetica. È come se il materiale fosse “in bilico” e un piccolo “soffio” magnetico fosse sufficiente a spingerlo in uno stato con simmetria rotta.

Un altro aspetto affascinante che il nostro risonatore ci ha permesso di studiare è la dinamica di rilassamento di questo ordine magnetico. Misurando a circa 45 kHz (una frequenza bassissima rispetto alle scale di energia tipiche del magnetismo), abbiamo scoperto che la fase magnetica sotto i 30 K ha dinamiche estremamente lente. Quando ruotavamo il campione lentamente nel campo magnetico, non vedevamo isteresi (cioè una differenza nel comportamento a seconda che il campo ruoti in un senso o nell’altro). Ma aumentando la velocità di rotazione, ecco comparire l’isteresi! Questo è un chiaro segno di rottura della simmetria temporale e della formazione di domini magnetici. Immaginate tante piccole “isole” magnetiche nel materiale che impiegano un tempo sorprendentemente lungo per riallinearsi con il campo esterno. Parliamo di minuti, un’eternità rispetto ai picosecondi tipici del magnetismo di spin convenzionale! Questa lentezza scompare di nuovo sopra i 30 K, confermando ulteriormente che questa temperatura segna un confine di fase magnetica.

L’Ipotesi del Magnetismo Orbitale: Correnti ad Anello

Tutti questi indizi – un momento magnetico piccolissimo, un’anisotropia marcata, dinamiche lentissime e un basso campo di saturazione – puntano con forza verso un’origine del magnetismo che non è quella “classica” dovuta agli spin degli elettroni. Piuttosto, suggeriscono un magnetismo orbitale. Cosa significa? Immaginate gli elettroni che non solo ruotano su se stessi (spin), ma che si muovono anche in orbite o “anelli” microscopici all’interno del materiale. Queste “correnti ad anello” (loop currents) possono generare momenti magnetici. Nel caso del CsV3Sb5, si pensa che queste correnti ad anello si formino in modo ordinato, dando origine a una fase chiamata “CDW con ordine di corrente ad anello” (loop current CDW).

Questo tipo di magnetismo orbitale, specialmente in sistemi con molti ioni di metalli di transizione, può produrre momenti magnetici molto piccoli e fortemente anisotropi, proprio come quelli che abbiamo osservato! Le nostre stime indicano un momento magnetico inferiore a circa 0.03 μB (magnetoni di Bohr, l’unità di misura del momento magnetico) per atomo di vanadio. Un valore così piccolo sarebbe sfuggito facilmente a tecniche come la diffrazione neutronica, e infatti studi recenti con neutroni hanno posto un limite superiore simile al nostro. I nostri calcoli teorici, basati su un modello di “loop current CDW”, prevedono un momento magnetico orbitale dell’ordine di ~0.01 μB per atomo di vanadio, in ottimo accordo con le nostre osservazioni sperimentali, senza nemmeno dover invocare la fisica dei domini per spiegare la piccolezza del momento.

Altre Transizioni e il Quadro Complessivo

Le nostre misure con il risonatore a diapason non si sono limitate alla regione sotto i 30 K. Abbiamo scansionato un ampio intervallo di temperature, da 2 K a 110 K, e abbiamo “fotografato” tutte le transizioni di fase note in letteratura, e forse anche qualcuna nuova o poco compresa.

• A 94 K, abbiamo visto un netto calo nella frequenza di risonanza, corrispondente all’instaurarsi della ben nota fase di onda di densità di carica (CDW).
• A 2 K, un altro calo marcato segnalava l’ingresso nella fase superconduttiva.
• Ma abbiamo anche notato altre due anomalie: un salto netto a 56 K (T2) e un piccolo avvallamento a 70 K (T3).

La transizione a T2 sembra essere del primo ordine ed è consistente con studi di diffrazione a raggi X che indicano un cambiamento nella periodicità della superstruttura CDW lungo l’asse c. La transizione T3 è più sfuggente, ma alcune misure μSR suggeriscono l’inizio di una fase con rottura della simmetria temporale già a 70 K, anche se con un accoppiamento magnetico tra strati kagome vicini che potrebbe annullare il momento magnetico netto lungo l’asse z, spiegando perché la nostra anisotropia magnetotropica diventa così evidente solo sotto i 30 K (T1).

È possibile che sotto i 30-35 K le quasiparticelle diventino rapidamente coerenti, e questa coerenza aumenti il momento magnetico orbitale, permettendoci di osservarlo chiaramente. Questo scenario si sposa bene con l’osservazione dell’effetto magnetico chirale sotto i 30 K, ma non sopra.

Conclusioni e Prospettive

In sintesi, le nostre misure di suscettività magnetotropica sul CsV3Sb5 hanno fornito prove dirette e termodinamiche che la transizione di fase intorno ai 30 K rompe la simmetria temporale attraverso lo sviluppo di un momento magnetico orbitale lungo l’asse c. Questo momento magnetico si satura a un valore piccolo a basse temperature e sopra 0.2 Tesla, il che è consistente con un quadro di magnetismo itinerante dovuto a correnti ad anello staggerate.

Credo che i nostri risultati offrano nuove, importanti intuizioni che contribuiscono significativamente alla comprensione della complessa fisica dei materiali AV3Sb5, aiutando a far luce e potenzialmente a risolvere alcuni dei dibattiti in corso in questo campo così dinamico. Inoltre, la nostra scoperta svela una struttura magnetica che va oltre il quadro convenzionale del magnetismo di spin o atomico, aprendo la strada allo studio di nuove forme di ordine magnetico nei materiali quantistici. È stato un viaggio affascinante, e sono convinto che il CsV3Sb5 abbia ancora molti segreti da svelarci!

Fonte: Springer