Una nuova scoperta sperimentale, guidato da ricercatori dell'Università del Minnesota, dimostra che l'elemento chimico rutenio (Ru) è il quarto singolo elemento ad avere proprietà magnetiche uniche a temperatura ambiente. La scoperta potrebbe essere utilizzata per migliorare i sensori, dispositivi nel settore della memoria e della logica dei computer, o altri dispositivi che utilizzano materiali magnetici.

L'uso del ferromagnetismo, o il meccanismo di base mediante il quale determinati materiali (come il ferro) formano magneti permanenti o sono attratti dai magneti, risale all'antichità, quando la calamita veniva utilizzata per la navigazione. Da allora solo tre elementi della tavola periodica sono stati trovati ferromagnetici a temperatura ambiente:ferro (Fe), cobalto (Co), e nichel (Ni). L'elemento delle terre rare gadolinio (Gd) manca quasi di soli 8 gradi Celsius.

I materiali magnetici sono molto importanti nell'industria e nella tecnologia moderna e sono stati utilizzati per studi fondamentali e in molte applicazioni quotidiane come sensori, motori elettrici, generatori, supporto del disco rigido, e più recentemente le memorie spintroniche. Poiché la crescita del film sottile è migliorata negli ultimi decenni, così ha la capacità di controllare la struttura dei reticoli cristallini, o anche di forzare strutture che sono impossibili in natura. Questo nuovo studio dimostra che il Ru può essere il quarto materiale ferromagnetico a elemento singolo utilizzando film ultrasottili per forzare la fase ferromagnetica.

I dettagli del loro lavoro sono pubblicati nell'ultimo numero di Comunicazioni sulla natura . L'autore principale del documento è un recente dottorato di ricerca dell'Università del Minnesota. laureato Patrick Quarterman, che è un borsista post-dottorato del National Research Council (NRC) presso il National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Il magnetismo è sempre sorprendente. Si dimostra ancora una volta. Siamo entusiasti e grati di essere il primo gruppo a dimostrare sperimentalmente e ad aggiungere il quarto elemento ferromagnetico a temperatura ambiente alla tavola periodica, ", ha affermato Jian-Ping Wang, professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota Robert F. Hartmann, l'autore corrispondente per l'articolo e il consulente di Quarterman.

"Questo è un problema eccitante ma difficile. Ci sono voluti circa due anni per trovare un modo giusto per coltivare questo materiale e convalidarlo. Questo lavoro stimolerà la comunità di ricerca magnetica a esaminare gli aspetti fondamentali del magnetismo per molti elementi ben noti, "Ha aggiunto Wang.

Anche altri membri del team hanno sottolineato l'importanza di questo lavoro.

"La capacità di manipolare e caratterizzare la materia su scala atomica è la pietra angolare della moderna tecnologia dell'informazione, " ha detto il coautore dello studio Paul Voyles, un professore Beckwith-Bascom e presidente del dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison. "La nostra collaborazione con il gruppo del professor Wang dell'Università del Minnesota mostra che questi strumenti possono trovare cose nuove anche nei sistemi più semplici, costituito da un solo elemento."

I partner del settore concordano sul fatto che la collaborazione è la chiave dell'innovazione

"Intel è soddisfatta della collaborazione di ricerca a lungo termine che ha con l'Università del Minnesota e C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Interfacce, e nuove architetture], ha detto Ian A. Young, Senior Fellow e Direttore presso Intel Corporation. "Siamo entusiasti di condividere questi sviluppi abilitati esplorando il comportamento degli effetti quantistici nei materiali, che possono fornire spunti per dispositivi di memoria e logica efficienti dal punto di vista energetico." Altri leader del settore concordano sul fatto che questa scoperta avrà un impatto sull'industria dei semiconduttori.

"I dispositivi spintronici sono di importanza crescente per l'industria dei semiconduttori, " ha detto Todd Younkin, il direttore dei consorzi sponsorizzati dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) presso la Semiconductor Research Corporation (SRC). "I progressi fondamentali nella nostra comprensione dei materiali magnetici, come quelli dimostrati in questo studio dal professor Wang e dal suo team, è fondamentale per realizzare continui progressi nelle prestazioni e nell'efficienza dei computer."

Nuove tecnologie richiedono nuovi materiali

La registrazione magnetica è ancora l'attore dominante nella tecnologia di archiviazione dei dati, ma la memoria magnetica ad accesso casuale e l'informatica stanno cominciando a prendere il suo posto. Queste memorie magnetiche e dispositivi logici pongono ulteriori vincoli ai materiali magnetici, dove i dati sono archiviati e calcolati, rispetto ai tradizionali materiali magnetici per dischi rigidi. Questa spinta verso nuovi materiali ha portato a un rinnovato interesse nei tentativi di realizzare previsioni che dimostrino che nelle giuste condizioni, materiali non ferromagnetici, come Ru, il palladio (Pd) e l'osmio (Os) possono diventare ferromagnetici.

Basandosi sulle previsioni teoriche consolidate, i ricercatori dell'Università del Minnesota hanno utilizzato l'ingegneria dello strato di semi per forzare la fase tetragonale di Ru, che preferisce avere una configurazione esagonale, e osservato il primo caso di ferromagnetismo in un singolo elemento a temperatura ambiente. La struttura cristallina e le proprietà magnetiche sono state ampiamente caratterizzate dalla collaborazione con la struttura di caratterizzazione dell'Università del Minnesota e colleghi dell'Università del Wisconsin.

I ricercatori hanno affermato che questo studio apre le porte a studi fondamentali su questo nuovo Ru ferromagnetico. Dal punto di vista applicativo, Ru è interessante perché è resistente all'ossidazione, e ulteriori previsioni teoriche affermano che ha un'elevata stabilità termica, un requisito vitale per il ridimensionamento delle memorie magnetiche. L'esame di questa elevata stabilità termica è al centro della ricerca in corso presso l'Università del Minnesota.