Title of the doctoral program

Metrologia 

 

Title of the research activity  

Applied rock magnetic techniques for cultural heritage, environment, and healthcare 

 

Short description of the research activity Rock magnetic  techniques  have many  possible  applications,  although  they  traditionally  lye within  geophysics  and 

archaeology  and  relate  to  the magnetic  study  of materials  collected  from  geological  and  archaeological  sites  for 

geomagnetic studies and dating. The transfer of the same techniques to the field of cultural heritage, for example, has 

been almost straightforward in the last decades, as the possible use of magnetic measurements for archaeomagnetic 

studies  encompass  dating,  investigation  of  ancient  technology  (e.g.  for  ceramics  production),  prospection  of 

archaeological sites and provenance studies of lithic (obsidian, chert and flint, silcrete) and ceramic tools.Furthermore, 

the same measurement techniques have been recently devised to study also environmental phenomena of the past, 

including  climate  variations due  to  atmospheric  composition  change, along with environmental pollution  currently 

taking course, e.g. due to particulate powders, in the atmosphere of the crowded towns of industrialised countries, or 

to metallic contamination in the soil due to industrial wastes. In some cases, the same techniques can find application 

for  healthcare  purposes,  as  for  studying  invasive  hyperthermia  (through  inoculation  of  ferrimagnetic  fluids  locally 

excited by RF) applied in cancer therapy to (hopefully) reduce or blockade potentially lethal disease advancement. 

As well, the proposed program will relate with present advancements of the basics of magnetism related to micro‐ 

and  nano‐structured  substances,  and  ensue  the  description  of  their  different  properties  and  ferromagnetic 

phenomena  by  accurate  characterization  and measurement  of  their  ferromagnetic  behavior  in  a  broad  band  of 

frequencies, from DC to the GHz. 

Current  activities  at  INRIM  Nanoscience  and  materialsdivision,  including  cooperation  with  INRIM  Quality  of  life 

division, and CIMaN Laboratories (Peveragno), deal with:  

1) reconstruction of the archaeomagnetic secular variation curve for Italy in the last 2000 years – with Soprintendenza 

per ibeniarcheologici del Piemonte e del museoantichitàegizie;  

2)  study  of  ancient  Egyptian  red  pigmentsmagnetic  properties  –  with  Centro  Conservazione  e  Restauro  di 

VenariaReale;  

3) study of the electric and magnetic features of black, yellow, white, and red dyes used for tattoos and their possible 

effect during diagnostic and/or therapeutic treatment using EM waves; 

4) study of nucleation and growth processes in nanostructured magnetic impurities evolved during geological eras in 

South African diamonds – with University of Pavia. 

References: 

Jeffrey L. Eighmy, Robert S. Sternberg, Archaeomagnetic Dating (1990) David J. Dunlop, Özden Özdemir,Rock Magnetism (1997) Michael E. Evans, Friedrich Heller,Environmental Magnetism (2003) Roberto Lanza, Antonio Meloni, The Earth's Magnetism (2008)  

Scientific tutor (EnzoFerrara, Research Scientist at INRIM, e.ferrara@inrim.it) 

Enzo Ferrara, researcher  (III  level) with a permanent position at the  Italian National  Institute of Metrology  (INRIM), 

Department of Nanoscience and Materials, Strada delle Cacce, 19 – 10135 Torino (Italy).  

Research activities at INRIM have mainly dealt with experimental work in materials science and metrology.In the last 

years, studies were devoted also to issues of archaeomagnetism through rock magnetic techniques – including lessons 

ofArchaeomagnetism  and  archaeomagnetic  dating  (24  hours/year,  since  2004)  at  the  University  of  Turin,  course 

“Materials Science for Cultural Heritage”, Secondary Degree (LaureaMagistrale) and tutoring experimental thesis for 

the same course – as well as to editorial publishing and writing about environmental issues, healthcare, and education 

in science. 

The proposed tutoris author of some 150 scientific papers in English, while many of his other publications and essays 

(and  two  books,  A  lezione  da Darwin  2009;L’umanità  di  unoscienziato  2011  –  Edizionidell’asino,  Roma)  on  socio‐

cultural issues are available in Italian on the Internet and on Italian magazines. 

Scientific sector (Settore Scientifico Disciplinare – SSD) GEO/11, 09/E4 ‐ ING‐INF/07, FIS/07 Number of international‐review papers (last 5 years): 44 Total number of citations and source: 628, Google Scholar h‐index and source: 13, Google Scholar1.  

Type of research activity 

Theoretical  and  experimental  investigation  of  the magnetic  properties  of micro‐  and  nano‐  structured 

materials; metrological assessment of  the standard methods applied  to determine  the  residual magnetic 

properties in different materials (soil, clay, pottery, pigments, mortars, colloids ...). 

Theory of First Order Return Curves – FORC, to investigate the phenomenology and magnetic properties of 

mixed ferromagnetic, paramagnetic, diamagnetic minerals, including natural oxides and hydroxides of iron: 

magnetite, hematite, maghemite, goethite, titan‐hematite, titan‐magnetite.  

Theoretical  assessment  of  rock magnetic  techniques  applied  to  study magnetization  processes  ensuing 

phenomena  of  NRM  (natural  remanent  magnetization),  TRM  (thermal  remanent  magnetization),  VRM 

(viscous  remanent  magnetization),  IRM  (isothermal  magnetization),  CRM  (chemical  remanent 

magnetization),  DRM  (Detrital  remanent  magnetization)  in  particular  exploiting  Thellier  rules  for  TRM 

(additivity,  reciprocity,  independence)  and  NRM‐TRM  diagrams  to  attain  intensity  of  the  ancient  Earth 

Magnetic Field. 

On  site  applications of  archaeomagnetic dating  technique,  including  the whole measurement procedure 

(sampling, laboratory preparation, setup of instrumental apparatuses), in the case of archaeological survey 

required  for dating,  for prospectionusing magnetic‐probe  technologies, or  tore construct ancient ceramic 

production technologies.  

Site of activity INRIM Division of Nanosciences and Materials – Stradadelle Cacce, 91  

The applicant must consider to include in his expertize during doctoral thesis, theoretical and experimental 

studies of micro‐magnetism to be developed mainly at the laboratories of magnetic measurements INRIM 

(Turin) – e.g. DC and AC hysteresis curves, HF characterization by fluxmetric techniques, RF characterization 

by Transmission Line. Frequent visits  in Peveragno – CN have  to be  included also  to  integrate previously 

attained conventional results at INRIM with anhysteretic investigation by spin magnetometers JR5 and JR6, 

cryogenic  squid  magnetometer  2G,  KLY‐3‐bridge  susceptometer,  flux  gate  magnetometers,  thermal 

demagnetizer furnaces, AC demagnetizer D‐2000 etc … available at CIMaN laboratories.  

Active collaboration on the proposed research activity

Interuniversity Center of Natural Magnetism –CIMaN (Peveragno – CN), actually constituted by the Universities of Torino, Milano Statale, Roma Tre, Urbino Carlo Bo, Chieti‐Pescara and Parma  Specific requirements (experiences, skills) Interdisciplinary interests would be useful to integrate results obtained by accurate magnetic measurement 

and investigation of the properties of micro‐ and nano‐structured substances with knowledge arising from 

very different disciplinary fields, as materials sciences, geophysics, archaeology, and environmental and 

health care. 

 

Website of the research group (if any) 

https://www.inrim.it/ricerca‐sviluppo/dal‐macro‐al‐nanomondo 

https://sites.google.com/site/paleomagnetismlab/home 

                                                            1N.B.: The author of this proposal considers the information on h‐index as irrelevant and misleading in judging the attitude of a project for any kind of support.