Il nuovo magnete quantistico promette applicazioni nella robotica, nell'elettronica e nei sensori

I ricercatori del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hangu Chui e altri hanno recentemente dato una nuova svolta alla tecnologia ben compresa dietro i magneti. Anche se a prima vista può sembrare semplicistico (quanto può diventare migliore un magnete, dopo tutto?), la ricerca apre la strada a nuove applicazioni dei materiali. Essendo i magneti (e l’elettromagnetismo stesso) la base di interi sistemi computazionali, si prevede che i miglioramenti ai materiali magnetici di base apporteranno miglioramenti di grande impatto alla nostra gestione di queste forze fondamentali.

Sfruttando gli effetti quantistici, i ricercatori sono riusciti a controllare l'effetto Hall anomalo e la curvatura Berry, due barriere fisiche fondamentali che si opponevano ai tentativi di essere messi in funzione in un modo che sarebbe stato utile per noi. Il nuovo articolo del gruppo di ricerca, pubblicato su Nature, fa luce sull'uso del tellururo di cromo come un modo per sfruttare entrambi gli effetti per migliorare sia l'efficienza che le prestazioni. Le zone colpite? Ovunque i magneti contano: spaziando nell’informatica, nell’elettronica e nella robotica.

L'effetto Hall si riferisce a una scoperta fatta dal 23enne Edwin Hall, nel lontano 1879. Hall notò che posizionare un magnete ad angolo retto contro una striscia verticale di metallo attraversata da corrente deviava la corrente contro l'estremità opposta della lamiera (ricordiamo che la corrente elettrica è il movimento ordinato di elettroni liberi).

Questa differenza asimmetrica nella corrente divenne nota come effetto Hall. Ma con la meccanica quantistica, questo comportamento asimmetrico può essere utilizzato a nostro vantaggio. Pensa alla meccanica quantistica come a un modo per osservare ciò che l’effetto Hall sta effettivamente facendo a livello di fisica delle particelle, il che, a sua volta, ci consente di comprendere e influenzare le circostanze in cui si manifesta.

È qui che entra in gioco l'applicazione di un concetto quantistico noto come curvatura di Berry: nell'ambito della fisica quantistica, può essere utilizzato per deviare naturalmente il flusso di elettroni (proprio come fa l'effetto Hall). Solo che non necessita del campo magnetico, ora è noto come effetto Hall anomalo e può essere utilizzato per controllare in modo molto più efficiente il flusso di elettricità.

Il lavoro del ricercatore ha prodotto un materiale che mostra questo effetto Hall anomalo anche quando schiacciato e allungato: un segno distintivo per un potenziale lavoro nel campo dell'elettronica flessibile. Il materiale è costituito da cristalli: strati di base di ossido di alluminio o titanato di stronzio (spessore mezzo millimetro). Quindi, sopra questi strati viene applicato uno strato atomico di tellururo di cromo, un composto magnetico. Grazie al modo in cui interagisce con gli strati di base, il composto magnetico conferisce flessibilità agli strati cristallini.

Ma qui “flessibile” significa che quando il materiale subisce una tensione, non perde la sua capacità di condurre elettroni; si muovono semplicemente attraverso percorsi diversi consentiti dall'interazione tra l'effetto Hall anomalo e la curvatura Berry. Questa capacità è il motivo per cui i ricercatori chiamano questo composto un materiale “strain-tunable” – perché regola naturalmente la conduttanza elettrica in base alla tensione a cui è sottoposto. Per questo motivo i ricercatori citano molteplici applicazioni in una serie di campi altamente rilevanti.

Nella robotica, i materiali adattabili alla deformazione possono essere utilizzati per "sensori morbidi" - sensori che possono estendersi attorno a elementi biologici esistenti (come i neuroni cerebrali nelle BCI [interfacce cervello-computer], per esempio) per evitare di danneggiarli o per migliorare interagire con loro. Grazie a questa tecnologia si aprono anche sensori che si allungano in base ai fattori ambientali o meccanismi di controllo pieghevoli per protesi artificiali, per non parlare dei vantaggi per le aziende esploratrici come Neuralink.

Questi materiali adattabili alla deformazione hanno anche applicazioni nell'archiviazione dei dati: il materiale estensibile può archiviare quantità variabili di dati a seconda di quanto esattamente è allungato, il che porterebbe vantaggi definitivi in ​​termini di densità e possibili vantaggi nella conservazione dei dati.