Questi grafici mostrano come i gruppi di atomi vibrano insieme. I grandi picchi rosso scuro sono aree in cui le vibrazioni si fermano e gli atomi diventano stabili. Nota la somiglianza tra il modello teorico (a destra) e ciò che l'esperimento ha effettivamente misurato (a sinistra). Credito:Olivier Delaire, Duke University
Rimbalzando i neutroni sugli atomi di ittrio manganite (YMnO 3 ) riscaldato a 3, 000 gradi Fahrenheit, i ricercatori hanno scoperto i meccanismi atomici che conferiscono al materiale insolito le sue rare proprietà elettromagnetiche. La scoperta potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare nuovi materiali con proprietà simili per nuovi dispositivi informatici e microattuatori.
L'esperimento è stato condotto in collaborazione tra la Duke University e l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ed è apparso online in Comunicazioni sulla natura il 2 gennaio 2018.
Ferromagnetismo è il termine scientifico per il fenomeno responsabile dei magneti permanenti come il ferro. Tali materiali esistono perché la loro struttura molecolare è costituita da piccoli cerotti magnetici che puntano tutti nella stessa direzione. Ogni patch, o dominio, si dice che ha un momento di dipolo magnetico, con un polo nord e un polo sud, quale, sommati insieme, producono i campi magnetici così spesso visti al lavoro sulle porte dei frigoriferi.
La ferroelettricità è una proprietà simile, ma più raro e difficile da concettualizzare. Più o meno allo stesso modo di un magnete permanente, un materiale ferroelettrico è costituito da domini con momenti di dipolo elettrico allineati tra loro. Questo produce un campo elettrico permanente naturale, come un insieme di palloncini microscopici con una carica di elettricità statica a lunga durata.
L'ittrio manganite è uno dei pochissimi materiali che combinano sia la proprietà ferroelettrica che l'ordinamento magnetico a temperature estremamente basse. Questa rara combinazione presenta l'interessante possibilità di controllare le proprietà magnetiche del materiale con l'elettricità e viceversa. Sfruttare questa capacità potrebbe consentire agli scienziati di creare computer più efficienti basati su quattro stati numerici anziché solo sugli odierni 1 e 0, invertendo gli stati elettrici e magnetici, così come nuovi tipi di sensori e convertitori di energia.
"Questi cosiddetti materiali multiferroici sono molto rari, " disse Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di fisica alla Duke. "Ma se riusciamo a capire i meccanismi di ciò che sta accadendo a livello atomico, abbiamo maggiori possibilità di progettare e scoprire più materiali che abilitano nuove tecnologie."
Poiché il comportamento ferroelettrico della manganite di ittrio si spegne solo sopra i 3000 gradi Fahrenheit, i ricercatori non sono mai stati in grado di sondare le onde di vibrazione atomica che producono la disposizione desiderata di microscopici dipoli elettrici. Mentre le basi molecolari delle proprietà ferroelettriche dell'ittrio manganite sono state teorizzate, non ci sono mai state misurazioni dirette per dimostrarli.
Per determinare come sorge la proprietà, i ricercatori devono sondare le vibrazioni ondulatorie dell'impilamento degli atomi nel materiale, che oscillano a frequenze oltre mille miliardi di volte al secondo. Devono anche farlo sia al di sopra che al di sotto della temperatura di commutazione ferroelettrica di 3000 gradi, che è un compito arduo, per non dire altro. Ma questo è esattamente ciò che hanno fatto i ricercatori.
"È stato difficile misurare le oscillazioni atomiche sopra i 3000 Fahrenheit, " disse Dipanshu Bansal, uno studioso post-dottorato nel gruppo di ricerca Delaire alla Duke e l'autore principale dello studio. "Richiedeva fasci di neutroni ad alta intensità, materiali speciali ad alta temperatura e un forno ad atmosfera controllata che riscalda il campione nell'aria per evitare la decomposizione del campione, cosa che altrimenti avverrebbe in un forno a vuoto più standard."
Gli esperimenti prevedevano di sparare al campione estremamente caldo di ittrio manganite con neutroni. Rilevando dove sono finiti i neutroni dopo la collisione con gli atomi del campione, i ricercatori hanno potuto determinare dove si trovavano gli atomi e come stavano oscillando collettivamente. Ci sono pochissimi posti al mondo che hanno tali capacità, e l'Oak Ridge National Laboratory, a poche ore di macchina da Duke, capita di ospitare sia il reattore isotopico ad alto flusso che la sorgente di neutroni di spallazione, la più potente sorgente di fasci di neutroni al mondo.
I ricercatori hanno sondato il materiale usando neutroni a varie energie e lunghezze d'onda, dando un quadro generale dei suoi comportamenti atomici. Hanno scoperto che al di sopra della temperatura di transizione, un certo gruppo di atomi era libero di muoversi e vibrava insieme in un modo particolare. Ma mentre il materiale si raffreddava e cambiava le fasi, quegli atomi si sono congelati nella disposizione cristallina permanente che è responsabile delle proprietà ferroelettriche.
E per confermare i risultati sui neutroni, i ricercatori hanno anche utilizzato i raggi X ultra luminosi presso l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory e hanno eseguito simulazioni quantistiche su larga scala del comportamento atomico con i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.
"Questo materiale non è mai stato compreso in precedenza a un livello atomistico così fine, " dissero Bansal e Delaire. "Abbiamo avuto teorie sull'importanza delle oscillazioni atomiche, ma questa è la prima volta che li abbiamo confermati direttamente. I nostri risultati sperimentali consentiranno ai ricercatori di perfezionare le teorie e creare modelli migliori di questi materiali in modo da poterne progettare di migliori in futuro".
