Gli scienziati trovano un modo sorprendente per influenzare le proprietà di memorizzazione delle informazioni nelle leghe metalliche.

A volte le scoperte scientifiche possono essere trovate lungo percorsi ben battuti. Ciò ha dimostrato il caso di un materiale in lega di ferro cobalto che si trova comunemente nei dischi rigidi.

Come riportato in un recente numero di Lettere di revisione fisica , ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, insieme alla Oakland University nel Michigan e alla Fudan University in Cina, hanno trovato un sorprendente effetto quantistico in questa lega.

L'effetto coinvolge la capacità di controllare la direzione dello spin dell'elettrone, e potrebbe consentire agli scienziati di sviluppare materiali più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico per l'archiviazione delle informazioni. Modificando la direzione di spin dell'elettrone in un materiale, i ricercatori sono stati in grado di alterare il suo stato magnetico. Questo maggiore controllo della magnetizzazione consente di memorizzare e recuperare più informazioni in uno spazio più piccolo. Un maggiore controllo potrebbe anche produrre applicazioni aggiuntive, come motori elettrici più efficienti dal punto di vista energetico, generatori e cuscinetti magnetici.

L'effetto scoperto dai ricercatori ha a che fare con "smorzamento, " in cui la direzione dello spin dell'elettrone controlla il modo in cui il materiale dissipa l'energia. "Quando guidi la tua auto lungo un'autostrada piana senza vento, l'energia dissipata dalla resistenza è la stessa indipendentemente dalla direzione in cui viaggi, " ha detto lo scienziato dei materiali Argonne Olle Heinonen, un autore dello studio. "Con l'effetto che abbiamo scoperto, è come se la tua auto sperimentasse più resistenza se viaggi da nord a sud che se viaggi da est a ovest".

"In termini tecnici, abbiamo scoperto un effetto considerevole dello smorzamento magnetico in strati su scala nanometrica di lega di ferro-cobalto rivestiti su un lato di un substrato di ossido di magnesio, " ha aggiunto lo scienziato dei materiali Argonne Axel Hoffmann, un altro autore dello studio. "Controllando lo spin dell'elettrone, lo smorzamento magnetico determina il tasso di dissipazione di energia, aspetti di controllo della magnetizzazione."

La scoperta del team si è rivelata particolarmente sorprendente perché la lega di ferro-cobalto è stata ampiamente utilizzata in applicazioni come i dischi rigidi magnetici per molti decenni, e le sue proprietà sono state studiate a fondo. Era opinione comune che questo materiale non avesse una direzione preferita per lo spin degli elettroni e quindi la magnetizzazione.

Nel passato, però, gli scienziati hanno preparato la lega per l'uso "cuocendola" ad alta temperatura, che ordina la disposizione degli atomi di cobalto e ferro in un reticolo regolare, eliminando l'effetto direzionale. Il team ha osservato l'effetto esaminando leghe di ferro cobalto non cotte, in cui gli atomi di cobalto e ferro possono occupare casualmente i rispettivi siti.

Il team è stato anche in grado di spiegare la fisica sottostante. In una struttura cristallina, gli atomi normalmente siedono a intervalli perfettamente regolari in una disposizione simmetrica. Nella struttura cristallina di alcune leghe, ci sono leggere differenze nella separazione tra gli atomi che possono essere rimossi attraverso il processo di cottura; queste differenze rimangono in un materiale "crudo".

Spremere un tale materiale a livello atomico cambia ulteriormente la separazione degli atomi, determinando diverse interazioni tra gli spin atomici nell'ambiente cristallino. Questa differenza spiega come l'effetto di smorzamento sulla magnetizzazione sia grande in alcune direzioni, e piccolo negli altri.

Il risultato è che distorsioni molto piccole nella disposizione atomica all'interno della struttura cristallina della lega di ferro-cobalto hanno enormi implicazioni per l'effetto di smorzamento. Il team ha eseguito i calcoli presso l'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, che hanno confermato le loro osservazioni sperimentali.

Il lavoro dei ricercatori appare nell'edizione online del 21 marzo di Lettere di revisione fisica ed ha diritto, "Anisotropia gigante dello smorzamento di Gilbert nei film epitassiali di CoFe".