I ricercatori della North Carolina State University hanno scoperto che il materiale ceramico ossido lantanio stronzio manganite (LSMO) mantiene le sue proprietà magnetiche in strati atomicamente sottili se viene "sandwich" tra due strati di un diverso ossido ceramico, lantanio stronzio ossido di cromo (LSCO). I risultati hanno implicazioni per l'uso futuro di LSMO nei dispositivi di elaborazione e archiviazione basati sulla spintronica.

Nella sua forma sfusa LSMO ha proprietà sia magnetiche che metalliche. La conduttività del materiale può essere alterata cambiando il suo campo magnetico, che rende LSMO attraente per l'uso come interruttore in dispositivi spintronici. Però, quando il materiale raggiunge una certa sottigliezza, tra cinque e dieci strati atomici, perde queste proprietà.

Divino Kumah, assistente professore di fisica presso la NC State e corrispondente autore di un articolo che descrive il lavoro, volevo sapere perché LSMO perde le sue proprietà magnetiche a una particolare sottigliezza, e trovare un modo per rendere magnetico LSMO in forma sottile.

Kumah, con colleghi e studenti laureati di NC State, prima ha coltivato sottili film di LSMO su titanato di stronzio, un substrato non magnetico comunemente usato come impalcatura neutra. Il team ha sviluppato film con uno spessore compreso tra due e 10 strati atomici e li ha testati per le proprietà magnetiche.

Prossimo, il team ha utilizzato la sorgente di luce di sincrotrone presso l'Argonne National Laboratory in modo da poter ottenere una visione tridimensionale della disposizione degli atomi all'interno dei sottili strati di LSMO. Hanno scoperto che a estrema magrezza, gli atomi di ossigeno e manganese si sono spostati leggermente fuori allineamento sulla superficie del materiale, spegnendo efficacemente il suo magnetismo.

"A circa cinque strati atomici abbiamo visto distorsioni sulla superficie dello strato e sull'interfaccia inferiore con l'impalcatura, " dice Kumah. "Gli atomi di ossigeno e manganese si riorganizzano. Il magnetismo e la conduttività elettrica in LSMO sono legati al modo in cui questi due atomi si legano, quindi se ci sono distorsioni polari nel film in cui si muovono su e giù, i legami si allungano, gli elettroni non possono muoversi efficacemente attraverso il materiale e il magnetismo viene disattivato".

Il team ha notato che queste distorsioni iniziavano nella parte superiore del film e si estendevano per circa tre strati sotto la superficie.

"Abbiamo scoperto che le distorsioni si verificano perché la struttura cristallina crea un campo elettrico in superficie, " dice Kumah. "Gli atomi di ossigeno e manganese si muovono per annullare il campo elettrico. La nostra sfida era quella di far crescere qualcosa alle interfacce che fosse strutturalmente compatibile con LSMO ma che fosse anche isolante, in modo da rimuovere il campo elettrico, fermare il movimento degli atomi di ossigeno e manganese e mantenere le proprietà magnetiche."

I ricercatori hanno scoperto che utilizzando due strati di LSCO su entrambi i lati dell'LSMO, l'LSMO potrebbe mantenere le sue proprietà magnetiche su due strati atomici.

"È come un panino:LSCO è il pane e LSMO è la carne, " Kumah dice. "Puoi usare meno di cinque strati di LSMO in questa disposizione senza alcuno spostamento atomico. Speriamo che il nostro lavoro abbia dimostrato che questi materiali possono essere abbastanza sottili da essere utili nei dispositivi spintronici".