Pochi fenomeni naturali suscitano tanto fascino quanto un magnete. Prova a distrarre un bambino mettendogli a portata di mano un paio di magneti. È molto probabile che tu provi lo stesso senso di meraviglia che riferì Albert Einstein quando, all’età di quattro o cinque anni, suo padre gli mostrò una bussola.
Perché ci sono due poli magnetici? Perché se un magnete si rompe, ogni frammento ha di nuovo due poli? Questa divisione può essere ripetuta all’infinito? Se ti sei mai posto queste domande, potresti non sapere che ci sono voluti migliaia di anni per rispondervi.
Due decenni dopo aver sentito quel fascino infantile, quello stesso bambino, Albert Einstein, ha contribuito a sviluppare i due grandi pilastri della Fisica, la Meccanica Quantistica per i piccoli e la Teoria della Relatività per i grandi, che ci hanno permesso di comprendere il mondo e, anche, capire come funziona un magnete.
Alla ricerca del magnete più piccolo
Il percorso che porta alla comprensione del magnetismo è degno di un romanzo giallo. Per secoli ha vagato tra effluvi e scuole animistiche che hanno dato un’anima alla magnetite.
L’intima relazione tra magnetismo ed elettricità iniziò a chiarirsi nel XVII secolo. Nel 1681, ad esempio, una nave doveva navigare verso Boston seguendo il sud della sua bussola, dopo che i marinai della nave avevano notato come un fulmine avesse invertito i poli dell’ago magnetico.
Quasi un secolo e mezzo dopo, nel 1820, François Arago, scienziato e politico francese, dimostrò finalmente che una corrente elettrica si comporta come una calamita.
Nel 1874, G. Johnstone Stoney propose che l’elettricità fosse trasmessa in unità discrete o elettroni, e solo pochi decenni dopo fu forgiato il grande edificio concettuale del mondo microscopico che chiamiamo Meccanica Quantistica. In esso, gli elettroni sono particelle elementari che trasportano carica elettrica.
Nonostante la mancanza di una struttura interna, si è presto ipotizzato che un elettrone si comporti come un minuscolo magnete, il più piccolo magnete possibile. Questa proprietà intrinseca è pittoricamente associata a una rotazione della particella in due possibili direzioni, che sono descritte con una freccia che punta in due direzioni che chiamiamo stati su e giù.
Oggi sappiamo che tutte le particelle elementari hanno uno spin e che quando il numero di stati è maggiore di uno si comportano come minuscoli magneti. È “come se” questa molteplicità di stati equivalesse alla carica delle particelle aventi un movimento intrinseco, creatore del magnete.
Ma quello che non sapevamo, fino ad ora, è per quale strana ragione queste particelle si allineano in un modo o nell’altro.
Il grande è necessario per capire il piccolo
In uno dei più grandi colpi nella storia della scienza, Paul Dirac dimostrò nel 1928 che lo spin dell’elettrone e la grandezza del suo minuscolo magnete sono sorti naturalmente integrando la Teoria della Relatività di Einstein con la Meccanica Quantistica: la scienza dei più grandi in aiuto di quello dei più piccoli! Il resto, parafrasando anche Dirac, “è solo calcolo”.
Pertanto, gli spin dei diversi elettroni di un atomo, una molecola o un cristallo di magnetite interagiscono seguendo le leggi rigide e controintuitive della Meccanica Quantistica. Se si allineano parallelamente, i minuscoli magneti elettronici diventano più forti e abbiamo un magnete permanente. Se sono orientati in modo casuale o allineati in modo antiparallelo, i singoli magneti si annullano.
Una di quelle leggi rigide, che configura il mondo che osserviamo come nessun altro, è il cosiddetto principio di esclusione di Pauli, formulato da Wolfgang Pauli nel 1925. Stabilisce che non possiamo collocare due particelle identiche con un dato numero nello stesso posto in spazio coppia di stati di spin. Non saremo in grado di avere due elettroni sopra nello stesso posto, ma possiamo averne uno sopra e uno sotto.
In questo modo, gli elettroni dello stesso spin sembrano respingersi a vicenda in modo molto forte. Tutti controlliamo queste repulsioni di Pauli ogni giorno. Sono quelli che ci impediscono di attraversare un muro come fantasmi, e quelli che determinano, come abbiamo mostrato di recente, come i magneti elementari si accoppiano in una molecola, aiutando così a svelare una delle incognite scientifiche del magnetismo.
Nelle viscere dei magneti molecolari
Nonostante il fatto che dobbiamo “soltanto” risolvere le equazioni della Meccanica Quantistica per prevedere se i diversi spin di un materiale saranno rinforzati o meno costruttivamente, anche i computer più potenti a disposizione non ci permettono di trovare soluzioni sufficientemente precise.
Per questo motivo, chimici e fisici utilizzano modelli semplificati. Con loro abbiamo progettato tutti i moderni dispositivi magnetici e sintetizzato molecole straordinarie che si comportano come magneti permanenti. Manipolando i magneti molecolari possiamo sognare memory stick di capacità inimmaginabile o futuri computer quantistici.
Il caso più semplice, e quindi il più studiato, è quello delle molecole contenenti due centri magnetici, ad esempio due atomi di metallo. Il compito congiunto del chimico sintetico e del chimico teorico consiste nel predire quale ambiente devono avere questi due atomi affinché i loro rispettivi spin si rafforzino, o al contrario si annullino. In molti casi questo accoppiamento può essere “sintonizzato” e reso dipendente dalla temperatura, oppure dall’illuminazione dell’impianto con luce di un certo colore.
Risolta controversia scientifica decennale
Poiché la scienza è un’impresa umana, quando si passa dalle equazioni ai modelli, menti diverse possono arrivare a modelli divergenti, che finiscono per unire sostenitori e oppositori. Questa partigianeria scientifica, di natura simile alla politica, può durare anni o decenni ed è stata particolarmente intensa nel campo del magnetismo molecolare.
La controversia si risolve solitamente quando un nuovo modello integrativo risolve la controversia, mostrando solitamente che le varie correnti non sono altro che angoli particolari di una realtà più generale. Ebbene, quello che abbiamo appena mostrato è che sono le barriere di Pauli create dagli elettroni a fare da ponte sugli atomi metallici che determinano il tipo di allineamento dei loro spin.
Come ciò avvenga può essere compreso con un’analogia. Associamo ciascuna delle possibilità di rotazione elettronica con un colore, rosso e blu, per esempio. Supponiamo che gli elettroni odino avere partner dello stesso colore (repulsione di Pauli). Ora immagina due elettroni distanti, che non distinguono il colore del loro vicino. Le combinazioni rosso-rosso e rosso-blu sono equivalenti. Mettiamo ora, a metà strada tra questi due elettroni, una nuova coppia composta da un elettrone rosso e uno blu, il cui colore già distingue i precedenti. Qualunque sia la disposizione di questi due elettroni intermedi, rosso e blu o blu e rosso, gli elettroni iniziali sceglieranno colori diversi. La repulsione di Pauli ha favorito un allineamento antiparallelo dei due elettroni.
Abbiamo tutti sperimentato come, superata una collina e raggiunta una vetta più alta, si svelano nuovi paesaggi non visti dal precedente punto di osservazione. Ci auguriamo che dal nuovo punto di osservazione appena trovato, si aprano strade ancora inesplorate per progettare nuovi magneti molecolari.
Angel Martin Pendas, Università di Oviedo
