Gli scienziati hanno scoperto che il PbFeO3 si cristallizzava in uno stato unico in cui uno strato composto da ioni Pb2+ era intercalato da due strati comprendenti una miscela di ioni Pb2+ e Pb in un rapporto 3:1. Credito:Nature Communications
Gli ossidi di perovskite dei metalli di transizione mostrano diverse proprietà desiderabili, tra cui la superconduttività ad alta temperatura e l'elettrocatalisi. Ora, gli scienziati del Tokyo Institute of Technology esplorano la struttura e le proprietà di un ossido di perovskite, PbFeO 3 , in previsione dell'insolita distribuzione di carica e delle transizioni magnetiche esotiche mostrate da tali sistemi. Riportano due delle transizioni magnetiche, con una transizione distintiva al di sopra della temperatura ambiente e esaminarne le cause, aprendo le porte a potenziali applicazioni nella realizzazione di nuovi dispositivi spintronici.
L'avvento dell'elettronica ha rivoluzionato le nostre vite al punto che è impossibile immaginare di vivere la nostra giornata senza fare affidamento su un dispositivo elettronico in qualche forma. Ciò che è ancora più notevole, però, è che possiamo migliorare ulteriormente questi dispositivi sfruttando lo "spin" dell'elettrone, una proprietà che fa sì che l'elettrone si comporti come un magnete, per creare dispositivi di memoria che siano più veloci e utilizzino una potenza inferiore rispetto all'elettronica tradizionale. Di conseguenza, il campo dedicato a questa impresa, giustamente chiamato 'spintronica, ' si basa sullo sfruttamento dello "stato di spin" dell'elettrone. Però, controllare lo spin può essere estremamente complicato, un fatto che spesso porta gli scienziati a caccia di materiali con stati di spin ordinati.
La loro attenzione si è recentemente rivolta agli ossidi di perovskite del metallo di transizione a base di piombo, una classe di materiali rappresentata da PbMO 3 (dove la M indica lo ione del metallo di transizione 3d), che mostrano transizioni di fase piuttosto interessanti negli stati di spin, rendendoli attraenti per applicazioni pratiche.
In un recente studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un team di scienziati cinesi, Giappone, Taiwan, Svizzera, Germania, Francia, e USA, ha esaminato l'ossido di perovskite PbMO 3 , un composto che ha eluso fino ad ora l'ispezione, a causa delle difficoltà nella sintesi dei campioni e nella risoluzione della sua struttura cristallina. "La famiglia delle perovskite di PbMO3 mostra complesse distribuzioni di carica e RFeO 3 (R =terre rare) mostra diverse interessanti proprietà legate allo spin, come il riorientamento di spin ultraveloce indotto dal laser, quindi ci aspettiamo una distribuzione di carica altrettanto caratteristica e ricche transizioni di stato di spin per PbMO 3 , " commenta il Prof. Masaki Azuma del Tokyo Institute of Technology, Giappone e dal Prof. Youwen Long dell'Accademia Cinese delle Scienze, che ha condotto lo studio.
Al raffreddamento del campione, gli scienziati hanno osservato per la prima volta una debole transizione ferromagnetica (WFM) a 600 K, caratterizzato da un ordinamento di spin antiferromagnetico inclinato (CAFM), e poi una transizione di riorientamento di rotazione continua (SR) a 418 K. Credito:Nature Communications
Di conseguenza, il team ha studiato la struttura, stato di carica, e proprietà magnetiche del PbMO 3 utilizzando una varietà di tecniche di caratterizzazione e supportando la loro osservazione con calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT).
Il team ha scoperto che PbMO 3 cristallizzato in un unico stato "ordinato di carica" in cui uno strato di ioni Pb2+ era intercalato da due strati costituiti da una miscela di Pb 2+ e Pb 4+ ioni in un rapporto 3:1, lungo la direzione di sovrapposizione degli strati. Raffreddando il campione da alta temperatura, il team ha osservato due distinte transizioni di fase magnetiche:una debole transizione ferromagnetica che si verifica a 600 K (327°C) caratterizzata da un ordinamento di spin "antiferromagnetico inclinato" (spin vicini diretti in modo opposto), e una transizione di riorientamento dello spin continuo (SR) a 418 K (145°C).
La transizione SR, sebbene comune in tutti gli RFeO 3 perovskiti, si è distinto in questo caso perché si è verificato a una temperatura molto più elevata rispetto a quelle per altre perovskiti, e a differenza delle interazioni magnetiche R-Fe solitamente identificate come la causa di questa transizione, non c'era tale controparte nel caso di PbMO 3 . Per risolvere l'enigma, gli scienziati si sono rivolti ai calcoli DFT, che ha rivelato che l'ordine di addebito unico in PbMO 3 ha portato alla formazione di due Fe 3+ sottoreticoli con energie concorrenti che, a sua volta, causato la peculiare transizione SR.
Il team è entusiasta di questi risultati e delle loro implicazioni per le applicazioni future. "Il nostro lavoro fornisce una nuova strada per studiare la fase di ordinamento della carica e la transizione distintiva SR con potenziali applicazioni in dispositivi spintronici a causa dell'elevata temperatura di transizione e della possibile sintonizzazione, " rimarca il capogruppo teorico, Prof. Hena Das.
Una cosa è certa:siamo un passo più vicini a rendere la spintronica la realtà di domani.
