Un team di scienziati ha trovato un nuovo modo per trasformare il calore ambientale in movimento in dispositivi su scala nanometrica, una scoperta che potrebbe aprire nuove possibilità per l'archiviazione dei dati, sensori, nanomotori e altre applicazioni nel mondo sempre più ristretto dell'elettronica.

In un nuovo articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiali della natura , un team internazionale di ricercatori di vari istituti tra cui l'Università di Glasgow e l'Università di Exeter nel Regno Unito, nonché dall'ETH di Zurigo e dall'Istituto Paul Scherrer in Svizzera, descrivono come hanno creato un sistema magnetico in grado di estrarre energia termica su scala nanometrica, utilizzando il concetto di un ingranaggio noto come cricchetto, e trasformare l'energia magnetica nella rotazione diretta della magnetizzazione.

Il cricchetto termico è stato realizzato in un materiale noto come 'spin ice artificiale, " costituito da un insieme di minuscoli nanomagneti di Permalloy, una lega di nichel-ferro. I singoli nanomagneti sono lunghi solo 470 nanometri (o circa 200 volte più piccoli del diametro di un capello umano) e larghi 170 nanometri, con un solo dominio magnetico; questo è, la magnetizzazione può puntare solo in una delle due direzioni lungo l'asse lungo del magnete. Dopo aver utilizzato un campo magnetico esterno per impostare la magnetizzazione in una determinata direzione, , i ricercatori hanno osservato che la magnetizzazione ruotava solo in una delle due possibili direzioni, senza un'ovvia ragione per cui un modo dovrebbe essere preferito all'altro.

Sebastian Gliga, l'autore principale dello studio e Marie Curie Research Fellow presso l'Università di Glasgow, ricorda:"Il sistema che abbiamo studiato è uno spin ice artificiale, una classe di materiali magnetici geometricamente frustrati.

"Siamo rimasti sorpresi nel vedere che la geometria delle interazioni può essere adattata per ottenere un materiale attivo che mostra chiralità dinamica e agisce quindi come un cricchetto". Chiralità significa che un oggetto ha un aspetto diverso dalla sua immagine speculare, come le nostre mani sinistra e destra. La chiralità può verificarsi anche in movimento:l'esempio più noto è il rattleback, un top a forma di barca che preferisce girare in un'unica direzione.

Il professor Robert Stamps dell'Università di Manitoba (precedentemente all'Università di Glasgow) ha sottolineato che sono le proprietà dei bordi dell'assieme a determinare il comportamento termico del cricchetto. "Abbiamo sospettato fin dall'inizio che i confini avrebbero fortemente influenzato l'ordinamento magnetico e la dinamica".

È stata questa idea e proposta della geometria del Prof. Stamps che alla fine ha portato all'intrigante comportamento misurato dai ricercatori.

Il meccanismo che ha portato al comportamento osservato non era ovvio, però, ed è solo attraverso la modellazione numerica che il ruolo preciso dei bordi è diventato chiaro. Secondo il professor Gino Hrkac, secondo autore della relazione, dell'Università di Exeter e ricercatore della Royal Society, "Abbiamo cercato di capire per un po' di tempo come funzionava il sistema prima di renderci conto che i bordi creavano un potenziale energetico asimmetrico". Questa asimmetria si riflette nella distribuzione del campo magnetico ai confini dell'array di nanomagneti e fa ruotare la magnetizzazione in una direzione preferita.

Per immaginare l'evoluzione dello stato magnetico del sistema, gli scienziati hanno utilizzato i raggi X e il cosiddetto effetto dicroico circolare magnetico a raggi X. Le misurazioni sono state effettuate presso la sorgente di luce di sincrotrone Swiss Light Source presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera e presso l'Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti.

Secondo la professoressa Laura Heyderman dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer:"Il ghiaccio artificiale è stato utilizzato principalmente per rispondere a domande scientifiche, per esempio riguardo alla fisica della frustrazione. Questa è una bella dimostrazione di come il ghiaccio artificiale può essere un materiale funzionale e fornisce un passo avanti verso le applicazioni".

Questi risultati stabiliscono un percorso inaspettato per trasformare l'energia magnetica nel movimento diretto della magnetizzazione. L'effetto ora trovato nelle strutture magnetiche bidimensionali arriva con la promessa che sarà di uso pratico in dispositivi su scala nanometrica, come i nanomotori magnetici, attuatori, o sensori. Infatti, perché il momento angolare si conserva e lo spin è un tipo di momento angolare, la variazione del momento magnetico del sistema può in linea di principio indurre una rotazione fisica del sistema (attraverso l'effetto Einstein-de Haas). Può anche trovare applicazioni nella memoria magnetica in cui i bit possono essere archiviati tramite riscaldamento locale con impulsi laser.

La carta, intitolato "Chiralità dinamica emergente in un cricchetto di rotazione artificiale guidato termicamente, " è pubblicato in Materiali della natura .