I multiferroici sono considerati materiali miracolosi per l'archiviazione futura dei dati, purché le loro proprietà speciali possano essere preservate alle temperature di esercizio del computer. Questo compito è stato ora svolto dai ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI, con i colleghi dell'Institut Laue-Langevin ILL di Grenoble. Con questo, hanno portato questi materiali un passo più vicino alle applicazioni pratiche. L'uso dei multiferroici è promettente per computer più efficienti dal punto di vista energetico perché un campo elettrico sarebbe sufficiente per l'archiviazione dei dati magnetici. Per produrre questo, sono necessari molta meno potenza e raffreddamento rispetto all'archiviazione magnetica convenzionale. I multiferroici combinano proprietà magnetiche ed elettriche per formare un materiale estremamente raro. La maggior parte di questi materiali mostra queste due proprietà solo a temperature ben al di sotto del punto di congelamento. Per mantenere stabili le proprietà magnetiche anche a cento gradi, i ricercatori hanno impiegato un trucco. Hanno usato atomi più piccoli di quelli impiegati nelle precedenti indagini, rendendo il materiale più compatto. Questo è stato sufficiente per rendere la sua struttura resistente al calore e preservare le sue proprietà magnetiche cruciali. I ricercatori hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Progressi scientifici .

I computer spesso funzionano continuamente, consumando molti kilowattora di elettricità all'anno. La maggior parte di essi viene utilizzata per l'archiviazione dei dati. I dati vengono scritti su hard disk come bit magnetici in uno stato 0 o 1, un processo che richiede una continua inversione di polarità da più a meno e viceversa. Questa inversione del polo magnetico consuma molta energia, e porta a un forte rilascio di calore. Ecco perché i computer devono essere raffreddati intensamente mentre sono in funzione. Ciò richiede molta elettricità, costi elevati e non è ecologico. Gli scienziati sono alla ricerca da molto tempo di un materiale che elimini questo svantaggio dell'archiviazione magnetica convenzionale dei dati.

Da alcuni anni, i cosiddetti multiferroici magnetoelettrici hanno attirato l'interesse dei ricercatori come possibile alternativa. Con questi materiali, la necessaria funzionalità magnetica è ottenibile applicando un campo elettrico anziché magnetico, perché queste due proprietà fisiche sono accoppiate insieme nel materiale. Questo stato di solito si verifica a temperature molto basse, tipicamente al di sotto di meno 173 gradi Celsius, e si perde di nuovo alle temperature quotidiane.

Due anni fa, un gruppo di lavoro del PSI è riuscito a spostare il limite di temperatura fino a 37 gradi Celsius. Questo è stato un grande passo avanti, ma non era ancora abbastanza per pensare di usarlo in laptop e altri sistemi di archiviazione dati fortemente riscaldati. Ora, I ricercatori del PSI Marisa Medarde e Tian Shang sono riusciti a stabilizzare un magnetoelettrico, materiale multiferroico che mantiene le proprietà magnetiche richieste anche a 100 gradi Celsius. "Questa temperatura è superiore di oltre 60 gradi Celsius rispetto al passato, " dice Medarde con gioia. "Anche se sono ancora necessarie molte ulteriori ricerche, ora siamo un po' più vicini a un possibile utilizzo di questi materiali nei computer".

Due in uno

La classe relativamente nuova dei multiferroici magnetoelettrici comprende varie miscele di elementi chimici. Questi hanno una cosa in comune:contengono contemporaneamente piccoli magneti e una combinazione di cariche elettriche positive e negative, i cosiddetti dipoli elettrici. I dipoli elettrici di solito possono essere influenzati applicando un campo elettrico e piccoli magneti applicando un campo magnetico. Per un materiale multiferroico, un campo elettrico è sufficiente per entrambi. In pratica, i campi elettrici sono molto più facili ed economici da produrre. Consumano molta meno elettricità. Questo è ciò che rende i multiferroici magnetoelettrici così interessanti dal punto di vista economico. Ma come si può raggiungere l'impossibile?

Nel suo laboratorio al PSI, il fisico Shang mostra un grigio diverso, polveri di cristallo bianche e gialle, che riscalda in un forno da laboratorio per preparare i materiali multiferroici per i suoi esperimenti:"Ecco, usiamo bario, rame, ferro e terre rare, e li scaldiamo fino a oltre 1, 100 gradi Celsius per due giorni. Quindi raffreddiamo lentamente le polveri fino a temperatura ambiente, schiacciarli in pellet, e poi riscaldarli nuovamente per 50 ore. Vengono poi bruscamente spenti in azoto liquido." Il materiale grigio opaco nel pellet che risulta da questa procedura è una cosiddetta perovskite di ferro e rame a strati, un cristallo. È abbastanza piccolo da stare su un dito e a prima vista non sembra molto spettacolare.

Magneti frustrati

Le particolarità del materiale si trovano al livello non visibile degli atomi, più precisamente:nella sua struttura reticolare cristallina. Questo può essere immaginato come costituito da diverse gabbie reticolari impilate con atomi di bario e ittrio ai loro angoli. Dentro le gabbie, si trovano piccoli magneti in rame e ferro. Le forze elettromagnetiche agiscono tra i singoli magneti, determinandone l'orientamento relativo. Normalmente, due magneti sono allineati paralleli o opposti l'uno all'altro. Ma può anche succedere che le forze magnetiche agiscano da direzioni molto diverse. Quindi i magneti oscillano come piccoli aghi di bussola. Il termine tecnico per un tale materiale è un magnete frustrato. Per evitare questo stato instabile preservando il magnetismo, i magneti di rame-ferro si dispongono a spirale. ingrandito, sembrano tanti aghi di bussola sovrapposti, ciascuno successivo attorcigliato di un piccolo angolo. "Questa disposizione a spirale può causare polarizzazione elettrica e quindi essere responsabile delle proprietà ferroelettriche nel materiale, " spiega Medarde.

Così, quando i magneti sono disposti a spirale, inducono dipoli elettrici nel reticolo e il materiale ottiene entrambe le proprietà accoppiate:elettriche e magnetiche. A temperature normali, gli aghi della bussola perdono la loro disposizione elicoidale, che fa scomparire anche le proprietà multiferroiche accoppiate. Il fatto che le spirali magnetiche nel materiale possano essere "congelate" mediante un raffreddamento molto rapido era già stato mostrato da Medarde e dal suo gruppo in un lavoro precedente. Nella loro ultima indagine, Medarde e Shang hanno ora messo a punto il reticolo cristallino multiferroico. Con aggiustamenti microscopici, sono riusciti ad aumentare la sua stabilità di temperatura fino a 100 gradi Celsius.

La vicinanza crea forza

Oltre a raffreddare il materiale in modo estremamente rapido, Shang ha usato un trucco che i chimici conoscono da molto tempo:ha semplicemente ridotto le distanze tra alcuni atomi nel reticolo cristallino, avvicinandoli l'uno all'altro. Per effetto del nuovo, design più compatto, le forze elettromagnetiche nel cristallo sono cambiate in modo tale che la struttura a spirale dei magneti di rame-ferro è rimasta stabile anche a temperature più elevate.

Shang ottenne questo sostituendo alcuni atomi di bario nel reticolo cristallino con gli atomi più piccoli dell'elemento stronzio. Ha aggiunto lo stronzio durante la produzione del materiale nel forno di reazione prima di raffreddare nuovamente il materiale nel modo stabilito.

Prossimo, il fisico voleva sapere se la combinazione dei due metodi aveva davvero sortito l'effetto desiderato. Shang ha studiato il materiale grigio-nero utilizzando vari metodi di misurazione, comprese le indagini presso la Swiss Spallation Neutron Source SINQ, una struttura di ricerca su larga scala al PSI. Con l'ausilio di appositi strumenti, riuscì a identificare l'impronta digitale delle spirali magnetiche. Di particolare importanza per il ricercatore era uno strumento con il nome complicato di diffrattometro a neutroni. Con questo dispositivo, che Shang ha usato sia al SINQ che all'Institut Laue-Langevin ILL di Grenoble, ha scoperto dove si trovano gli atomi nel reticolo cristallino e quanto sono distanti l'uno dall'altro.

"L'effetto del rapido raffreddamento del materiale più quello della diminuzione della distanza tra gli atomi si sommano. L'intervallo di stabilità della spirale magnetica è ora molto più alto di prima, " ha detto Shang. Ha così raggiunto l'intervallo di temperatura necessario per l'uso nei computer. Tuttavia, secondo i fisici, ci vorrà del tempo prima che il materiale venga effettivamente utilizzato per la memorizzazione dei dati in futuro. Per questo, dovrà anche eseguire in strati di film sottile, dove viene utilizzato molto meno materiale. Medarde e Shang ci stanno già lavorando. E stanno tentando di spremere ulteriormente il cristallo di perovskite incorporando atomi che sono ancora più piccoli dello stronzio. Se entrambe le strategie hanno successo, ci sono buone probabilità che il materiale multiferroico un giorno sarà la base per rivoluzionare la tecnologia di archiviazione dei dati.