Gli scienziati del PSI hanno acquisito una comprensione fondamentale di un materiale molto promettente che potrebbe essere adatto a future applicazioni di archiviazione dei dati. I loro esperimenti con l'ossido di stronzio-iridio, Sr ₂ IrO ₄ , studiato sia le proprietà magnetiche ed elettroniche del materiale come un film sottile. Hanno anche analizzato come queste proprietà possono essere controllate sistematicamente manipolando i film. Questo studio è stato reso possibile da una sofisticata diffusione di raggi X, una tecnologia in cui i ricercatori del PSI sono tra gli esperti mondiali. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Nella loro ricerca per l'archiviazione magnetica dei dati del futuro, i ricercatori sono alla ricerca di materiali idonei con proprietà che possano essere personalizzate nel modo più flessibile possibile. Un candidato promettente è l'ossido di stronzio-iridio, un ossido metallico con la notazione chimica Sr ₂ IrO ₄ . Gli scienziati del PSI hanno studiato questo materiale, lavorare a fianco dei colleghi in Polonia, gli Stati Uniti e la Francia.

"La parola chiave della nostra ricerca è spintronica, " spiega Thorsten Schmitt, Capo del gruppo di ricerca PSI per la spettroscopia di nuovi materiali. La spintronica utilizza sia la carica elettrica dell'elettrone che il suo spin interno per sviluppare componenti elettronici avanzati.

Spintronics è già utilizzato nei dischi rigidi di oggi, ma le proprietà dei materiali utilizzati si basano sul magnetismo "normale":ferromagneti come il ferro o il nichel dove gli spin sono disposti in parallelo. Il loro svantaggio è la distanza relativamente ampia richiesta tra i punti di memorizzazione dei dati ferromagnetici, cioè., i bit, per evitare interferenze incrociate.

Gli esperti ritengono che i materiali antiferromagnetici potrebbero offrire un'alternativa promettente, poiché i loro giri sono disposti in direzioni opposte. Visto dall'esterno, i materiali antiferromagnetici sono quindi magneticamente neutri. Quindi un bit antiferromagnetico non interferirebbe con il suo vicino. "Questi pezzi possono essere imballati più strettamente insieme, quindi più dati possono essere archiviati nello stesso spazio, " dice Schmitt. "Inoltre, le operazioni di lettura-scrittura dei dati sono molto più veloci."

L'ossido di stronzio-iridio è un tale materiale antiferromagnetico. È essenzialmente un cristallo all'interno del quale gli atomi di iridio e ossigeno formano minuscoli ottaedri. "Chiamiamo questa struttura perovskite, " spiega Milan Radovic, un fisico al PSI e coautore del nuovo studio. "È un materiale ideale per manipolare sistematicamente le sue proprietà funzionali, " aggiunge Radovic.

Manipolazione di film sottili

Per eseguire tale manipolazione e scoprire di più sulle proprietà di questo materiale altamente promettente, Gli scienziati del PSI hanno applicato un sottile, strato cristallino di Sr ₂ IrO ₄ come film principale su diversi substrati cristallini. L'idea è che il substrato porti alla distorsione della struttura cristallina del film applicato. "È come se tirassimo o comprimessimo il nostro materiale a livello degli atomi, "Spiega Schmitt. Questo fa sì che gli ottaedri di perovskite si torcano e si spostino leggermente l'uno contro l'altro, modificando in ultima analisi le proprietà del materiale nel suo insieme.

Questo metodo consente di mettere a punto sistematicamente le proprietà magnetiche ed elettroniche del materiale. E poiché questo tipo di materiale è già utilizzato nei componenti elettronici sotto forma di film sottili, lo sviluppo di applicazioni in questo settore sarebbe il passo logico successivo.

Ottenere un'immagine globale

Per un'analisi approfondita dei loro campioni, Gli scienziati del PSI hanno utilizzato una speciale tecnica a raggi X che è stata pesantemente sviluppata da PSI, nota come Resonant Inelastic X-Ray-Scattering, o RIXS in breve. Al PSI i ricercatori hanno utilizzato i raggi X molli per eseguire i loro esperimenti RIXS. La ricerca in Svizzera è stata integrata da ulteriori misurazioni di precisione con raggi X duri di energia superiore condotti presso l'European Synchrotron Radiation Facility a Grenoble e l'Advanced Photon Source ad Argonne, NOI..

"La maggior parte dei metodi si concentra separatamente sul magnetismo o sulle proprietà elettroniche, " spiega Schmitt. "Con RIXS, d'altra parte, possiamo indagare entrambe le proprietà con la stessa misura e confrontarle direttamente tra loro. In breve:abbiamo ottenuto con successo un quadro globale del nostro campione".

I ricercatori sono riusciti a scoprire come cambiano le proprietà elettroniche quando il reticolo cristallino dello Sr ₂ IrO ₄ il film è distorto, e come questo sviluppo sia legato al cambiamento del magnetismo. Entrambi vanno di pari passo e forniscono importanti risultati per potenziali applicazioni.

Superconduttori come paradigma

Nello specifico, il gruppo è riuscito a modificare l'ossido di stronzio-iridio in modo che le sue proprietà magnetiche imitassero un'altra classe di materiali affascinanti:superconduttori ad alta temperatura composti da strati di ossido di rame, noto anche come cuprati. Questi hanno anche una struttura simile alla perovskite. Nel loro esperimento, Gli scienziati del PSI hanno tirato e distorto lo Sr ₂ IrO ₄ pellicola in modo che le distanze atomiche nel reticolo cristallino si espandono e inoltre si verifica una rotazione. "Questo ci ha permesso di fare in modo che il materiale replicasse le proprietà di un cuprato, " dice Schmitt. "Tuttavia, siamo ancora molto lontani dalla produzione di un nuovo superconduttore, " lui dice, prima che qualcuno si alzi le speranze. Ritiene inoltre che potrebbero volerci altri 10 o 20 anni prima che le attuali scoperte possano contribuire allo sviluppo di nuove applicazioni di archiviazione dei dati. "Il nostro compito è produrre ricerca fondamentale. Questo è di vitale importanza come trampolino di lancio nello sviluppo futuro di nuovi materiali".