La perfetta inversione di strutture complesse è di grande importanza tecnica. I ricercatori dell'ETH sono ora riusciti a trasformare la struttura magnetica ed elettrica dei materiali nei loro opposti utilizzando un singolo impulso di campo magnetico.

In ambienti sgradevolmente rumorosi, la riduzione attiva del rumore è stata utilizzata negli auricolari e nelle auto di lusso negli ultimi anni. Un microfono capta il rumore fastidioso, da cui un chip di computer calcola le contromisure appropriate:onde sonore le cui fasi sono esattamente opposte a quelle del suono ambientale. L'interferenza tra quelle onde cancella efficacemente il rumore. Fisici e ingegneri cercano di applicare questo principio di inversione perfetta ad altre tecnologie, ad esempio, alla struttura magnetica dei materiali. Il professore dell'ETH Manfred Fiebig e i suoi collaboratori presso il Dipartimento dei materiali di Zurigo sono ora riusciti a fare proprio questo, con il supporto di scienziati in Europa, Giappone e Russia. I loro risultati sono pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica Natura .

Il team di Fiebig ha utilizzato i cosiddetti multiferroici per i loro esperimenti. A differenza di molti altri materiali che hanno un ordine magnetico o elettrico, i multiferroici possiedono entrambi:sono magneticamente e, allo stesso tempo, polarizzata elettricamente e, come conseguenza, si allineano sia lungo campi magnetici che lungo campi elettrici. I meccanismi fisici che determinano l'ordine magnetico ed elettrico all'interno del materiale sono sottilmente accoppiati tra loro. Ciò consente di influenzare la magnetizzazione utilizzando campi elettrici anziché campi magnetici. "È molto più efficiente, poiché è necessaria la corrente elettrica per creare campi magnetici, e questo costa molta energia e crea fastidiosi cascami di calore, " spiega Naemi Leo, un ex dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Fiebig. Nei computer, ad esempio, dove i dati vengono costantemente scritti su dischi rigidi magnetici, i multiferroici potrebbero essere materiali chiave per significativi risparmi energetici.

Ispirazione dalle forme Tangram

All'ETH, che è da tempo leader internazionale nella ricerca multiferroica, gli scienziati hanno portato questa idea un passo avanti. "Un materiale che permette di controllare la propria magnetizzazione tramite campi elettrici deve necessariamente avere una struttura piuttosto complessa, "dice Fiebig.

Usa il puzzle cinese del Tangram per illustrare questo principio:più pezzi sono disponibili, triangoli, quadrati e parallelogrammi:sono possibili le forme più elaborate. Nel caso dei multiferroici, le forme corrispondono alle simmetrie del materiale, che ne determinano le proprietà fisiche. Più complesse sono queste simmetrie, più vari sono i cosiddetti parametri d'ordine. Descrivono la direzione in cui punta la magnetizzazione all'interno di un multiferroico, e come la magnetizzazione è accoppiata all'ordine elettrico.

Proprietà inaspettate

Se gli atomi all'interno di un materiale sono disposti in modo così complicato, è anche molto probabile che abbia altre proprietà non evidenti a prima vista. "Ecco perché non abbiamo voluto limitarci ai noti fenomeni che da tempo si studiano, ma piuttosto prova a vedere quali altre cose utili possono fare i multiferroici, "Fiebig dice, e illustra il suo approccio alla ricerca:"Come possiamo ricombinare i pezzi del puzzle, ovvero, i parametri dell'ordine, in modi diversi da quelli già noti, e ottenere così proprietà nuove e utili?"

Questa apertura all'imprevisto ha dato i suoi frutti. Fiebig e i suoi collaboratori alla fine hanno trovato un multiferroico in cui la magnetizzazione complessiva non è solo orientata uniformemente da un campo applicato, come di solito. Chiaramente, che cancellerebbe qualsiasi informazione immagazzinata magneticamente, la distribuzione di regioni magnetizzate positivamente e negativamente all'interno del materiale. Piuttosto, hanno usato il campo per invertire la magnetizzazione in ogni singola regione del materiale. Le regioni magnetizzate positivamente erano, perciò, trasformati in magnetizzati negativamente, e viceversa. Le informazioni magnetiche contenute nella disposizione delle regioni, però, rimasto intatto nel processo. "È come se avessimo invertito ogni singolo bit su un disco rigido in una volta sola, " Spiega Fiebig. "Normalmente, si dovrebbe riscrivere ogni bit individualmente, ma possiamo farlo con un singolo impulso di campo magnetico."

Inversione in un colpo solo

I ricercatori dell'ETH hanno trovato questo equivalente magnetico della riduzione attiva del rumore in un multiferroico composto da cobalto, tellurio e ossigeno. A causa della sua complessa struttura cristallina, non solo quel materiale può essere contemporaneamente polarizzato magneticamente ed elettricamente, ma può anche avere diversi parametri d'ordine che descrivono la sua magnetizzazione:uno che determina l'orientamento magnetico di una singola regione, e un altro che "ricorda" la forma e la disposizione di quelle regioni all'interno dell'intero materiale.

Utilizzando una tecnica di imaging specializzata, per cui la luce laser polarizzata viene inviata attraverso il cristallo e cambia colore nel processo, i ricercatori potrebbero rendere direttamente visibile spazialmente il processo di inversione.

Come se non bastasse, i fisici sono stati anche in grado di compiere un'impresa simile con ruoli invertiti. In un multiferroico contenente atomi di manganese, germanio e ossigeno, il campo magnetico ora ha invertito non la magnetizzazione, ma la polarizzazione elettrica del materiale. Per i ricercatori, questa è un'ulteriore prova che i multiferroici riservano ancora molte sorprese. "Probabilmente c'è molto di più da scoprire che non possiamo nemmeno immaginare oggi, "dice Fiebig.