Una collaborazione internazionale di scienziati del Politecnico di Milano, del Paul Scherrer Institute e del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, è riuscita per la prima volta a ricostruire la struttura tridimensionale delle onde di spin. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre nuove prospettive per lo sviluppo di tecnologie innovative nei campi della spintronica e della computazione quantistica.
Le onde di spin sono delle minuscole oscillazioni del momento magnetico (“spin”) degli elettroni, che si propagano nei materiali magnetici, come il ferro, in modo analogo a quello in cui le onde d’acqua si propagano in uno stagno. Fino ad ora, però, osservare direttamente la loro propagazione in tre dimensioni è stato un compito impossibile, che ha comportato la perdita di molte informazioni cruciali sulla loro struttura e sulle loro interazioni all’interno dei materiali.
Il problema della ricostruzione in 3D delle onde di spin è simile a quello di ricostruire la forma, per esempio di una statua, scattando una sola fotografia. Sarebbe impossibile ottenere tutti i dettagli senza vederne i lati e il retro: per ottenere una visione completa, è necessario scattare molte foto ad angolazioni diverse. I ricercatori hanno perciò scattato tante fotografie alle onde di spin a vari angoli, ruotando il campione magnetico mentre venivano scattate le foto. Poi con le immagini, utilizzando un algoritmo ad-hoc, hanno ricostruito per la prima volta la struttura tridimensionale completa delle onde di spin.
Ciò che rende queste misure molto complesse è che le onde di spin sono piccolissime, nell’ordine del milionesimo di millimetro, e rapidissime: oscillano un miliardo di volte al secondo!
Per catturare queste immagini senza sfocature, è necessaria una macchina fotografica con un otturatore estremamente veloce e una capacità di ingrandimento di milioni di volte. Oggi le uniche macchine in grado di fare questo sono i sincrotroni, in cui un fascio di elettroni viene accelerato a velocità vicine a quella della luce ed emette impulsi brevissimi di raggi X, che permettono di immortalare i fenomeni fisici con una precisione senza uguali.
Grazie a questo risultato sarà possibile studiare, come mai prima d’ora, la propagazione e l’interazione delle onde di spin e nel prossimo futuro sarà possibile progettare nuovi dispositivi che sfruttano la tridimensionalità dei fenomeni ondulatori per la computazione classica e quantistica.
Il primo autore della ricerca è Davide Girardi, dottorando nel gruppo di ricerca PhyND del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, guidato da Edoardo Albisetti e Daniela Petti. La ricerca si è svolta in collaborazione tra Politecnico di Milano, la beamline PolLux del Paul Scherrer Institute (Svizzera) e dal Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (Germania) ed è stata finanziata dall’ ERC Starting Grant B3YOND (n. 948225) del programma Horizon H2020 dell’Unione Europea, coordinato da Edoardo Albisetti del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.