Il materiale ferroelettrico organico è costituito da pile di dimensioni nanometriche di molecole simili a dischi che agiscono come "isteroni" con un comportamento ferroelettrico ideale. Combinato in un dispositivo di memoria macroscopica, si ottiene il caratteristico ciclo di isteresi arrotondato. Credito:Indre Urbanaviciute och Tim Cornelissen
I ricercatori hanno dimostrato con successo che le particelle ipotetiche proposte da Franz Preisach nel 1935 esistono effettivamente. In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , scienziati delle università di Linköping ed Eindhoven mostrano perché i materiali ferroelettrici agiscono in quel modo.
La ferroelettricità è il gemello meno noto del ferromagnetismo. Ferro da stiro, cobalto e nichel sono esempi di materiali ferromagnetici comuni. Gli elettroni in tali materiali funzionano come piccoli magneti, dipoli, con un polo nord e un polo sud. In un ferroelettrico, i dipoli sono elettrici anziché magnetici, e hanno un polo positivo e negativo.
In assenza di un campo magnetico (per un ferromagnete) o elettrico (per un ferroelettrico) applicato, l'orientamento dei dipoli è casuale. Quando viene applicato un campo sufficientemente forte, i dipoli si allineano con esso. Questo campo è noto come campo critico (o coercitivo). Sorprendentemente, in un materiale ferroico, l'allineamento rimane quando il campo viene rimosso, e il materiale è permanentemente polarizzato. Per cambiare la direzione della polarizzazione, un campo forte almeno quanto il campo critico deve essere applicato nella direzione opposta. Questo effetto è noto come isteresi:il comportamento del materiale dipende da ciò che gli è successo in precedenza. L'isteresi rende questi materiali altamente adatti come memoria riscrivibile, Per esempio, negli hard disk.
In un materiale ferroelettrico ideale, l'intero pezzo commuta la sua polarizzazione al raggiungimento del campo critico e lo fa con una velocità ben definita. Nei veri materiali ferroelettrici, diverse parti del materiale commutano la polarizzazione in diversi campi critici, e a velocità diverse. Comprendere questa non idealità è la chiave per l'applicazione nella memoria del computer.
Professor Martijn Kemerink. Credito:Thor Balkhed
Un modello per la ferroelettricità e il ferromagnetismo è stato sviluppato dal ricercatore tedesco Franz Preisach già nel 1935. Il modello Preisach puramente matematico descrive i materiali ferroici come una grande collezione di piccoli, moduli indipendenti chiamati isteroni. Ogni isterone mostra un comportamento ferroico ideale, ma ha un proprio campo critico che può differire da isterone a isterone. È stato generalmente concordato che il modello fornisce una descrizione accurata dei materiali reali, ma gli scienziati non hanno capito la fisica su cui è costruito il modello. Cosa sono gli isteroni? Perché i loro campi critici differiscono in questo modo? In altre parole, perché i materiali ferroelettrici agiscono come fanno?
Il gruppo di ricerca del professor Martijn Kemerink (Materiali complessi e dispositivi alla LiU), in collaborazione con ricercatori dell'Università di Eindhoven, ha ora studiato due sistemi di modelli ferroelettrici organici e ha trovato la spiegazione. Le molecole nei materiali ferroelettrici organici studiati amano giacere l'una sull'altra, formando pile cilindriche di circa un nanometro di larghezza e diversi nanometri di lunghezza.
"Potremmo dimostrare che questi stack sono in realtà gli isteroni ricercati. Il trucco è che hanno dimensioni diverse e interagiscono fortemente tra loro poiché sono così ravvicinati. A parte la sua dimensione unica, ogni stack sente quindi un ambiente diverso di altri stack, che spiega la distribuzione Preisach, "dice Martijn Kemerink.
Tim Cornelissen e Indre Urbanaviciute, Università di Linköping. Credito:Thor Balkhed
I ricercatori hanno dimostrato che la commutazione non ideale di un materiale ferroelettrico dipende dalla sua nanostruttura, in particolare, quanti stack interagiscono tra loro, e i dettagli del modo in cui lo fanno.
"Abbiamo dovuto sviluppare nuovi metodi per misurare la commutazione dei singoli isteroni per testare le nostre idee. Ora che abbiamo mostrato come le molecole interagiscono tra loro su scala nanometrica, possiamo prevedere la forma della curva di isteresi. Questo spiega anche perché il fenomeno si comporta così. Abbiamo mostrato come la distribuzione degli isteroni si presenti in due specifici materiali ferroelettrici organici, ma è molto probabile che si tratti di un fenomeno generale. Sono estremamente orgoglioso dei miei studenti di dottorato, Indre Urbanaviciute e Tim Cornelissen, che sono riusciti a raggiungere questo obiettivo, "dice Martijn Kemerink.
I risultati possono guidare la progettazione di materiali per nuovi, le cosiddette memorie multi-bit, e sono un ulteriore passo nel cammino verso le piccole e flessibili memorie del futuro.
