Memorizzazione di informazioni con spirali. Nella maggior parte delle memorie dei computer i valori 0/1 sono associati all'orientamento destra/sinistra di minuscoli magneti. In una futura memoria magnetoelettrica, gli stessi minuscoli magneti sono disposti formando trame a spirale. In questo caso, i valori 0/1 corrispondono al loro senso di rotazione (sinistra/destra). Credito:Istituto Paul Scherrer/Marisa Medarde
Un nuovo materiale potrebbe diventare la base per i futuri dispositivi di memorizzazione dei dati, poiché può consentire riduzioni significative del fabbisogno energetico rispetto ai dischi rigidi attuali. Questo è un materiale della classe dei cosiddetti multiferroici magnetoelettrici, la cui caratteristica distintiva è che le loro proprietà magnetiche ed elettriche sono accoppiate tra loro. Grazie a questo accoppiamento, dovrebbe essere possibile scrivere bit magnetici per mezzo di campi elettrici più efficienti dal punto di vista energetico. Ci si aspettava da tempo che questa classe di materiali potesse servire come base per le memorie dei computer in futuro. Il vantaggio del materiale multiferroico di nuova concezione:presenta le proprietà magnetiche necessarie anche a temperatura ambiente, e non solo, come con la maggior parte dei multiferroici magnetoelettrici fino ad oggi, quando raffreddati a temperature molto basse, tipicamente meno 200 gradi Celsius. I ricercatori del PSI riportano i loro nuovi risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
I ricercatori del PSI hanno creato un nuovo materiale che ha un potenziale enorme per i futuri supporti di memorizzazione dei dati. Questo è un cosiddetto materiale multiferroico magnetoelettrico con un miglioramento cruciale:mantiene le proprietà magnetiche necessarie fino a temperatura ambiente ed è quindi adatto per gli scopi quotidiani.
I materiali multiferroici magnetoelettrici sono estremamente rari. In loro, le proprietà magnetiche ed elettriche sono accoppiate tra loro. Di conseguenza, le proprietà magnetiche possono essere controllate mediante l'applicazione di un campo elettrico. I campi elettrici possono essere generati in modo più semplice ed efficiente rispetto ai campi magnetici. Quando un campo elettrico viene applicato a multiferroici magnetoelettrici, ha un effetto sulle proprietà elettriche del materiale. Attraverso l'accoppiamento magnetoelettrico, otterrai quindi una modifica gratuita delle proprietà magnetiche, dice Marisa Medarde, autore principale del nuovo studio, descrivere questa classe speciale di materiali.
Memorizzazione dati e risparmio energetico
I dischi rigidi dei computer odierni memorizzano i dati sotto forma di bit magnetici che vengono scritti attraverso l'applicazione di un campo magnetico. In contrasto, supporti di memorizzazione basati su multiferroici avrebbero diversi vantaggi:la memorizzazione magnetica potrebbe essere realizzata attraverso l'applicazione di un campo elettrico, che richiederebbe molta meno energia; i dispositivi produrrebbero meno calore di scarto e quindi avrebbero anche minori richieste di raffreddamento, consentendo di ridurre l'uso di ventilatori e aria condizionata. Dato che il cloud computing consuma migliaia di miliardi di chilowattora di energia all'anno, i risparmi in questo settore sono di grande importanza.
I ricercatori del PSI Mickaël Morin e Marisa Medarde congelano la disposizione atomica del materiale multiferroico YBaCuFeO5. Per questo, il pezzo di materiale viene prima riscaldato in un forno a 1000 gradi Celsius e poi fatto cadere in un recipiente riempito con azoto liquido freddo a meno 200 gradi Celsius. Credito:Istituto Paul Scherrer/Markus Fischer
In quasi tutti i materiali, magnetismo, come si trova ad esempio nel ferro, e la ferroelettricità, una particolare proprietà elettrica dei materiali, si escludono a vicenda. Qui i materiali multiferroici rappresentano un'eccezione:sono magnetici oltre che ferroelettrici; Inoltre, queste due proprietà sono accoppiate tra loro. Materiali che gli scienziati sono stati in grado di creare fino ad ora, però, mostrano un comportamento multiferroico quasi esclusivamente a temperature molto basse, come meno 200 gradi Celsius. Il nuovo materiale dei ricercatori del PSI è un'innovazione in questo senso.
Sintesi, ottimizzazione della proprietà, e analisi al PSI
I ricercatori hanno ideato il loro nuovo materiale personalizzando sia la sua composizione chimica che l'esatto processo di produzione. Alla fine hanno scoperto che il materiale con la formula chimica YBaCuFeO5 è adatto, e che dia i migliori risultati quando viene prima riscaldato ad alta temperatura e poi sottoposto ad un raffreddamento estremamente rapido. Ad alte temperature, gli atomi si dispongono in modo tale da essere utili ai nostri scopi, Medarde spiega. Il raffreddamento rapido sostanzialmente congela questa disposizione in posizione. Il metodo alla base del raffreddamento rapido, noto anche come tempra, è noto per la produzione di metalli particolarmente duri ed è stato utilizzato per secoli, Per esempio, in spade d'acciaio temprato. I ricercatori del PSI, però, hanno applicato temperature molto più estreme:hanno prima riscaldato il loro materiale a 1000 gradi Celsius e poi lo hanno raffreddato bruscamente e rapidamente a meno 200 gradi Celsius. Dopo che il materiale è stato tolto da questo bagno di raffreddamento, mantiene le sue speciali caratteristiche magnetiche fino e leggermente al di sopra della temperatura ambiente.
La procedura di sintesi e ottimizzazione delle proprietà è stata sviluppata presso il PSI, dove i materiali sono stati anche prodotti e successivamente analizzati presso due grandi strutture di ricerca, la Swiss Spallation Neutron Source SINQ e la Swiss Light Source SLS. Il nostro nuovo materiale non contiene ingredienti costosi, Medarde è felice di riferire. E il metodo di produzione, ora che abbiamo elaborato i dettagli, è facile da mettere in pratica.
Spirali magnetiche viste dai neutroni. L'immagine mostra l'intensità del fascio di neutroni deviato dopo aver attraversato il campione. Le due linee giallo/verde sono la firma della spirale magnetica, che è chiaramente visibile da 2 a 310 Kelvin (da meno 275 a più 37 gradi Celsius). Credito:M. Morin et al., Comunicazioni sulla natura
Il nuovo materiale deve le sue proprietà all'esistenza delle cosiddette spirali magnetiche a livello atomico. Queste minuscole spirali sono responsabili dell'accoppiamento del magnetismo e della ferroelettricità. Nella maggior parte dei materiali, le spirali magnetiche scompaiono quando il materiale diventa più caldo di circa meno 200 gradi Celsius. I ricercatori del PSI vedono il loro principale risultato nell'aver creato un materiale in cui le spirali magnetiche sono stabili a temperatura ambiente. Anche a 30 gradi Celsius, le nostre spirali magnetiche erano ancora presenti, dice Medarde.
Un parente dei superconduttori ad alta temperatura
Il materiale YBaCuFeO5 infatti non è del tutto nuovo. Il composto è stato effettivamente sintetizzato per la prima volta nel 1988. Ora, però, Lo speciale processo di fabbricazione dei ricercatori PSI dispone con precisione gli atomi di ferro e rame in modo tale che il materiale acquisisca proprietà completamente nuove. YBaCuFeO 5 è strettamente correlato all'ossido di rame e bario di ittrio, notazione chimica YBa 2 Cu 3 oh 6+x , un gruppo di superconduttori scoperti nel 1987 che rimangono superconduttori fino a temperature relativamente elevate:alcuni di essi perdono la loro proprietà di superconduttori a temperature intorno a meno 180 gradi Celsius, cioè, circa 200 gradi in meno rispetto alla temperatura dell'ordine a spirale del nuovo materiale sviluppato al PSI.
