La produzione di dispositivi per memorizzare o trasmettere informazioni è una delle applicazioni tecnologiche più frequenti del magnetismo. Uno studio sperimentale e teorico condotto presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) in Brasile ha scoperto un modo ultraveloce di magnetizzare la materia con un consumo energetico minimo.

Usando una tecnica chiamata magnetizzazione per luce, i ricercatori hanno magnetizzato un campione di seleniuro di europio (EuSe) in 50 picosecondi con una lampadina da 50 watt situata a pochi centimetri di distanza. Un picosecondo è un trilionesimo di secondo.

Un articolo che descrive l'esperimento, intitolato "Commutazione della luce ultraveloce del ferromagnetismo in EuSe, " è stato recentemente pubblicato in Lettere di revisione fisica .

L'esperimento è stato condotto da André Bohomoletz Henriques, un professore ordinario all'IF-USP, e collaboratori con il sostegno della São Paulo Research Foundation—FAPESP.

"Il nostro obiettivo era trovare nuovi meccanismi per modificare il magnetismo dei materiali in una scala temporale ultrabreve usando solo la luce. La novità della nostra ricerca è che rende possibile una magnetizzazione molto forte con quantità molto piccole di luce, " disse Henriques.

Il processo è stato derivato sperimentalmente presso il Laboratorio Magneto-Ottico dell'Università di San Paolo, ma l'interpretazione del fenomeno ha richiesto un notevole lavoro teorico, che coinvolgono procedure come calcoli di meccanica quantistica autoconsistenti e simulazioni Monte Carlo, da parte del gruppo guidato da Henriques.

La magnetizzazione di un materiale è associata all'ordinamento spaziale degli spin delle sue particelle costituenti. In un materiale non magnetizzato, gli spin dei suoi atomi (derivanti dagli spin dei suoi elettroni) sono disordinati. Poiché è coinvolta la grandezza del vettore, lo spin di ogni atomo punta in una direzione arbitraria. In determinate situazioni, questi giri possono essere ordinati dalla luce, quale, di conseguenza, può magnetizzare completamente un materiale inizialmente disordinato. L'immagine sopra illustra il processo di magnetizzazione da parte della luce.

Il materiale scelto per l'esperimento era il seleniuro di europio semiconduttore (EuSe), in cui ogni fotone ha ordinato gli spin di 6, 000 elettroni.

"Questo accade perché quando un fotone interagisce con un elettrone, cambia uno stato che è fortemente localizzato nell'atomo in uno stato che si estende a molti atomi, " ha spiegato Henriques. "Il risultato è che in un tempo straordinariamente breve, circa 50 picosecondi, tutti gli atomi entro la portata della funzione d'onda dell'elettrone commutano i loro spin in una direzione comune, creando un momento magnetico super-gigante che si avvicina a 6, 000 magnetoni di Bohr. Che è equivalente al momento magnetico di 6, 000 elettroni con spin che puntano tutti nella stessa direzione. Il risultato, considerato inaspettato e spettacolare dai revisori peer per Physical Review Letters, era quello con un singolo fotone, siamo stati in grado di allineare gli spin di 6, 000 elettroni."

Lo spin è comunemente inteso come la rotazione di una particella attorno a un asse, ma questa concezione non corrisponde alla realtà e serve solo come rappresentazione di una particella associata ad una corrente elettrica equivalente ad un momento magnetico.

Le particelle non hanno solo massa inerziale e carica elettrica, ma anche una terza proprietà fisica chiamata spin. Questa proprietà, caratterizzato come un vettore (cioè una grandezza fisica con grandezza e direzione), descrive il momento magnetico della particella. Come l'ago di una bussola, che è orientato in direzione Nord-Sud dall'attrazione del campo magnetico terrestre perché ha un momento magnetico, lo spin di una particella tende anche a puntare nella direzione del campo magnetico che agisce su di essa.

"Per magnetizzare il seleniuro di europio, il fotone deve avere energia sufficiente per trasferire un elettrone da un'orbita molto vicina al nucleo atomico ad un'orbita lontana nella banda di conduzione. Per effetto di questo trasferimento, l'elettrone interagisce magneticamente con migliaia di atomi vicini. L'interazione tra il momento magnetico dell'elettrone e i momenti magnetici degli atomi vicini allinea tutti i loro spin, ", ha affermato il ricercatore supportato da FAPESP.

Interazione anti-ferromagnetica

Il seleniuro di europio è stato scelto per la sua elevata suscettibilità magnetica, che si traduce nella forte tendenza degli spin atomici ad allinearsi sotto l'effetto di un campo magnetico molto piccolo.

"Oltre all'interazione magnetica tra l'elettrone e gli atomi di europio, c'è anche interazione magnetica tra gli stessi atomi di europio. L'interazione tra i primi vicini è ferromagnetica; in altre parole, favorisce l'allineamento nella stessa direzione. Ma l'interazione tra secondi vicini è antiferromagnetica e favorisce l'allineamento in direzioni opposte, " disse Henriques.

"Queste due interazioni si annullano quasi a vicenda. In realtà, l'interazione anti-ferromagnetica quasi prevale. Per questa ragione, in condizioni normali, il materiale si trova allo stato antiferromagnetico, senza magnetismo. Però, ogni piccolo disturbo, come la presenza di un elettrone, può sconvolgere questo delicato equilibrio di interazioni e favorire lo stato ferromagnetico, cioè l'allineamento di tutti gli spin nel cristallo nella stessa direzione, magnetizzando il materiale quasi istantaneamente."

Esistono diverse forme di interazione magnetica. La forma più nota è l'interazione dipolare, che caratterizza l'attrazione tra due magneti, ma c'è anche interazione di scambio, che è molto più forte e influenza il magnetismo di un ago della bussola o di un magnete da frigorifero.

L'interazione di scambio è di origine elettrostatica e costituisce un fenomeno quantistico derivato dal principio di esclusione di Pauli, che non ha analoghi nella fisica classica. Questo processo rende possibile la magnetizzazione ultraveloce con la luce con un consumo energetico minimo.

Sebbene abbiano condotto questo studio esclusivamente come ricerca di base, Henriques e il suo team sono consapevoli delle potenziali applicazioni tecnologiche nel contesto dell'industria elettronica in rapida evoluzione. Secondo un editoriale pubblicato nel marzo 2018 sulla rivista Fisica della natura , la manipolazione del magnetismo in materiali antiferromagnetici come il seleniuro di europio è un campo di ricerca emergente con un potenziale promettente per l'applicazione nei dispositivi elettronici.