Pubblicato su Nature Physics uno studio INSTM sulle interazioni fra chiralità e magnetismo

In uno studio interdisciplinare al confine tra la chimica e la fisica, lavorando sulla sintesi di nuovi materiali molecolari e sfruttando la spettroscopia basata sui raggi X, il team fiorentino dell’Unità di Ricerca INSTM al Dipartimento di Chimica “Ugo Schiff” dell’Università del capoluogo toscano, in collaborazione con gli scienziati responsabili della beamline ID12 del sincrotrone Europeo ESRF a Grenoble, ha studiato l’effetto magneto-chirale in sistemi molecolari monodimensionali.

Variando la composizione chimica di queste catene molecolari elicoidali, cioè inserendo ioni cobalto o ioni manganese coordinati da specifici leganti che promuovono la formazione di strutture definite come Magneti a Singola Catena (Single Chain Magnets), è stato possibile cominciare a comprendere gli effetti magneto-chirali che sono alla base di uno dei più affascinanti quesiti della fisica moderna.

Molecole uguali con chiralità opposta hanno proprietà e comportamenti diversi. Tutto questo è ben noto ai chimici, ai fisici ed agli scienziati dei materiali: un sistema chirale assorbe diversamente la luce a seconda della sua polarizzazione circolare e, proprio per questo, la luce polarizzata è un valido strumento per valutare la chiralità di un composto ma anche un utile fenomeno sfruttato per realizzare dispositivi ottici ed optolettronici. In composti magnetici questa chiralità può essere associata anche ad un altro effetto, più debole, il dicroismo magneto-chirale. Questo effetto causa un diverso assorbimento di luce non polarizzata da parte di un sistema con una data chiralità strutturale, a seconda della direzione di propagazione della luce stessa ed al variare della magnetizzazione del sistema.

La chiralità è estremamente importante in natura perché è alla base di importati processi biochimici, come l’interazione tra i recettori che regolano risposte cellulari o il riconoscimento degli odori. La comprensione completa del dicroismo magneto-chirale è di cruciale importanza anche per arrivare alla soluzione di alcuni interrogativi come la spiegazione dell’omochiralità della vita sulla terra: l’elica del DNA di (praticamente) tutti gli organismi viventi sulla terra è avvolta sempre nello stesso verso. Proprio l’effetto magneto-chirale potrebbe giustificare il fatto che una specifica chiralità sia risultata favorita rispetto all’altra, considerato che la luce solare arriva sulla terra mediamente non polarizzata. Inoltre nel dicroismo magneto-chirale si ha la contemporanea rottura della simmetria spaziale e temporale, un effetto che si ritrova nella descrizione della superconduttività e delle forze di interazione deboli che determinano la struttura del nucleo degli atomi. Avere a disposizione un sistema modello in cui, giocando sui componenti usati è possibile attivare questo meccanismo, diventa un prezioso tavolo di lavoro per sviluppare nuove tecnologie.

L’esperimento descritto su Nature Physics è stato realizzato sintetizzando eliche contenenti ioni cobalto che, irraggiate con raggi X ad alta energia (quasi 8 keV) in corrispondenza dell’assorbimento caratteristico di questo ione, hanno mostrato un effetto magneto-chirale molto intenso che si è dimostrato essere dovuto alla forte anisotropia magnetica dello ione cobalto(II) stesso. Le proprietà elettroniche di questo ione infatti impongono ai momenti magnetici di questi atomi di formare a loro volta un’elica magnetica invece di allinearsi parallelamente al campo magnetico applicato; questo effetto scompare quasi completamente sostituendo gli ioni cobalto(II) con degli ioni manganese(II), che sono magneticamente isotropi.

Lo studio comparativo che ne è seguito ha fornito le prime utili indicazioni per pensare di progettare materiali in cui questo fenomeno possa essere amplificato e reso utilizzabile in applicazioni tecnologiche sia nel campo della fotonica che della spintronica molecolare, sfruttando la rottura di simmetria per controllare il flusso di dati in nuovi dispositivi.

Link: Nature Physics,

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