A volte una buona teoria ha solo bisogno di materiali corretti per farla funzionare. È il caso delle recenti scoperte dei fisici di UT e dei loro colleghi, che ha progettato un sistema magnetico bidimensionale che punta alla possibilità di dispositivi con maggiore sicurezza ed efficienza, utilizzando solo una piccola quantità di energia. Sfruttando una simmetria nascosta nel materiale, i loro risultati supportano una teoria proposta per la prima volta 20 anni fa.

Mantenere il controllo senza perdere la flessibilità

Le persone conoscono il magnetismo fin dai tempi antichi, ma stanno ancora imparando come funziona, soprattutto su scala quantistica. Nei ferromagneti, gli atomi ei loro vicini hanno momenti magnetici (causati dallo spin) che si allineano tutti lungo la stessa direzione. Possiamo facilmente controllare quella direzione da un campo magnetico esterno. Negli antiferromagneti, però, i momenti magnetici si anti-allineano con i loro vicini e si alternano uno per uno. Questo microscopico allineamento di spin scherma perfettamente qualsiasi campo magnetico esterno ed è nascosto dal mondo esterno. Gli antiferromagneti furono scoperti da Louis Néel nel 1948, ma sono stati descritti nella sua conferenza Nobel del 1970 come teoricamente interessanti ma tecnologicamente inutili.

Jian Liu, professore assistente di fisica, ha spiegato che generalmente gli spin in un antiferromagnete possono ruotare come vogliono purché venga mantenuto l'antiallineamento. Ma, se l'interazione tra gli atomi è anistropica, "darà alla rotazione una certa direzione preferenziale". Questa è l'interazione DM (Dzyaloshinskii-Moriya) originata dall'effetto relativistico, e Liu ha spiegato che fa due cose. Primo, inclina (o inclina) le rotazioni leggermente lontano dal perfetto anti-allineamento, il che è positivo perché questo significa che un campo magnetico esterno non sarà completamente schermato e può accoppiarsi agli spin inclinati, anche se sono sfalsati. C'è un compromesso, però, in quanto mentre questa interazione consente il canting, fissa la direzione.

"Quindi stai guadagnando un po' di controllo, "Liu ha detto, "ma stai anche perdendo un po' di flessibilità. E questo si uniforma."

Per aggirare questo problema, lui e un team di colleghi ricercatori hanno sfruttato una simmetria di spin nascosta:SU(2).

"SU(2) è in realtà una terminologia che teorici e matematici usano nella teoria dei gruppi, "Ha detto Liu. "Ciò significa che lo spin è isotropo:può puntare in qualsiasi direzione tu voglia."

Eppure come, Esattamente, questa simmetria è nascosta?

Liu ha detto che si nasconde se guardi le cose solo su scala locale.

"Per esempio, se ti siedi in un giro, e ti guardi intorno, vedi un ambiente molto anisotropo, " ha spiegato. "Fondamentalmente, gli altri giri, i tuoi vicini, ti stanno dicendo che non devi sbilanciarti (in un certo modo) per essere compatibile con loro. Se si guarda a una scala molto globale, se si considerano tutti gli spin, si scopre che l'intero sistema è perfettamente isotropo e conserva questa simmetria rotazionale.

"Puoi pensarla così, " Lui continuò, "centinaia di anni fa, la gente pensava che la terra fosse piatta. Questo perché eravamo seduti su una scala molto locale. Pensavamo che se avessimo continuato a camminare in una direzione non saremmo mai tornati allo stesso punto. Ma si scopre che la terra è una sfera, quindi se continui a camminare verso nord ad un certo punto passi il palo e poi torni indietro. Quindi, se guardi la terra su scala globale, vedi che ha simmetria rotazionale, che non noteresti se fossi legato alla superficie."

Aggiunta di spazio sufficiente

Il ruolo di questa simmetria globale nei sistemi antiferromagnetici è stato effettivamente previsto due decenni fa. Liu ha detto che mentre la teoria era affascinante, il materiale utilizzato per testarlo non era adatto al compito.

Per i loro studi, lui e i suoi colleghi hanno coltivato campioni di stronzio, iridio, e ossigeno (SrIrO3), così come lo stronzio, titanio, e ossigeno (SrTiO3) e, utilizzando la deposizione laser pulsata, li ha fatti crescere su uno strato di base di SrTiO3 spesso solo un singolo cristallo. Si sono concentrati su tre punti:la chimica del materiale, conservazione della simmetria, e uno strato aggiuntivo cruciale. L'iridio si è rivelato una scelta importante perché ha fornito una forte interazione con il DM. La struttura consente la simmetria nascosta, in gran parte perché il team ha separato gli strati con un "distanziatore" di SrTiO3 in modo che ogni strato avesse le proprie proprietà bidimensionali.

L'ispirazione per questa ricerca è arrivata l'anno scorso dopo che Liu e altri scienziati hanno pubblicato i risultati sul controllo dei materiali ultrafini in Lettere di revisione fisica . Ha spiegato che una volta trovato un modo per separare gli strati per esplorare le proprietà bidimensionali intrinseche, si resero conto di avere un materiale che poteva testare la teoria della simmetria.

Sistemi più sicuri; Commutazione più veloce

Oltre alla scoperta scientifica, questi ultimi risultati della ricerca presentano anche il potenziale per controllare l'antiferromagnetismo per dispositivi più sicuri ed efficienti.

Come ha spiegato Liu, la maggior parte dei dispositivi magnetici attuali sono basati su materiali ferromagnetici.

"Però, stiamo arrivando al limite delle prestazioni dei ferromagneti, " ha detto. "Dobbiamo trovare un altro modo per superare la barriera tecnica. L'antiferromagnetismo fornisce un'altra opzione. Per esempio, i materiali antiferromagnetici hanno questo spin anti-allineato. Quindi, se guardi un antiferromagnete, non c'è campo magnetico intorno. In realtà ti sembra non diverso da un materiale che non è magnetico, perché si compensano completamente a vicenda."

Cosa significa, Lui continuò, è che non vogliamo che i bit nel disco rigido del nostro computer si avvicinino troppo l'uno all'altro perché ogni bit è un ferromagnete. Ciò limita la densità dell'archiviazione delle informazioni.

"Ora, se i bit sono antiferromagnetici, saranno magneticamente invisibili l'uno all'altro, e puoi metterli uno accanto all'altro, " ha detto. "Essenzialmente la capacità di archiviazione aumenterà notevolmente".

Un altro possibile vantaggio è la commutazione più efficiente dei dispositivi.

Liu ha detto che alternare gli spin su e giù nel ferromagnetico è un processo lento e dispendioso in termini di energia perché dobbiamo invertire il suo campo magnetico su scala macroscopica. Con gli spin anti-allineati negli antiferromagneti sotto la simmetria nascosta, Egli ha detto, "non mostra alcun campo magnetico, e abbiamo solo bisogno di applicare un po' di energia per accenderlo e spegnerlo o ruotarlo. La quantità di energia che mettiamo nel sistema è molto piccola rispetto all'energia di auto-anti-allineamento, ma gli spin rispondono ancora istantaneamente, e questo rende il processo di commutazione molto più veloce."

L'importanza della collaborazione e degli investimenti

I primi risultati sono stati molto incoraggianti, tuttavia il team sperimentale voleva qualche verifica aggiuntiva.

"All'inizio non potevamo credere a quello che abbiamo visto perché gli effetti erano davvero forti e la quantità di energia che metti nel sistema è un millesimo della (sua) energia interna, " ha spiegato. "Sembra quasi troppo bello per essere vero."

Per la convalida, hanno posto le loro domande al professore di fisica UT (e presidente di Lincoln) Cristian Batista, un teorico della fisica della materia condensata.

"Ci ha guidato attraverso tutti i dettagli della teoria e ha fornito la spiegazione:non solo qualitativamente ma in realtà quantitativamente, " Liu ha detto. "Ha fatto la simulazione e ha scoperto che tutto rientrava perfettamente nei requisiti per quella teoria della simmetria nascosta".

I risultati sono stati pubblicati in Fisica della natura .