I potenziali dispositivi di archiviazione di dati digitali si basano principalmente su nuovi fenomeni magnetici fondamentali. Più comprendiamo questi fenomeni, migliori e più efficienti dal punto di vista energetico sono i chip di memoria e i dischi rigidi che possiamo costruire. I fisici dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hanno ora completato il lavoro fondamentale essenziale per i futuri dispositivi di archiviazione:utilizzando un approccio creativo per modellare film magnetici sottili in architetture curve, hanno convalidato la presenza di risposte chirali in un materiale magnetico comunemente usato. Ciò facilita la creazione di sistemi magnetici con proprietà desiderate che si basano su semplici trasformazioni geometriche. Il team ha ora presentato il proprio lavoro sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Sappiamo tutti che la nostra mano sinistra è diversa dalla nostra destra:un guanto sinistro non si adatta alla tua mano destra e viceversa. Gli scienziati usano il termine "chiralità" per descrivere oggetti che non si allineano con la loro immagine speculare. chimici, in particolare, hanno familiarità con questa proprietà nelle molecole, come nell'acido lattico a rotazione sinistra e destra. Gli umani metabolizzano la variante che ruota verso destra più facilmente della sua "immagine speculare".

È noto che tali effetti chirali si verificano nei materiali magnetici, dove le strutture magnetiche hanno anche proprietà chirali:la disposizione dei singoli momenti magnetici all'interno del materiale, o, in senso figurato, l'allineamento dei tanti minuscoli "aghi della bussola" che compongono un magnete, potrebbe formare allineamenti destrorsi e mancini. A determinate condizioni, alcune trame si comportano come un'immagine e un'immagine speculare:una trama per mancini non può essere resa congruente con la sua versione per destrimani.

L'aspetto interessante qui è che "le due texture possono presentare diversi comportamenti magnetici, " come sottolinea il fisico HZDR Dr. Denys Makarov. "Per dirla semplicemente:una trama per la mano destra può essere più energeticamente preferibile di una trama per la mano sinistra. Poiché i sistemi in natura tendono ad assumere il loro stato energetico più basso possibile, si preferisce lo stato destrorso." Tali effetti chirali contengono grandi promesse tecnologiche. Tra le altre cose, potrebbero essere utili per lo sviluppo futuro di componenti elettronici ad alta efficienza energetica come sensori, interruttori, e dispositivi di memorizzazione non volatili.

Architetture magnetiche curve

"Gli elimagneti sono materiali con proprietà magnetiche chirali ben definite, a causa della mancanza di simmetria magnetica interna, " spiega l'autore principale del documento, Dr. Oleksii Volkov dell'Istituto di ricerca sui materiali e la fisica dei fasci di ioni dell'HZDR. "Nonostante siano noti da molto tempo, questi sono materiali piuttosto esotici che sono difficili da produrre. Inoltre, gli elimagneti di solito mostrano le loro proprietà chirali uniche a basse temperature." Ecco perché il team di Makarov ha scelto un percorso diverso. Hanno usato un materiale magnetico comune, lega di ferro-nichel (nota come Permalloy), per costruire oggetti curvi come strisce a forma di parabola. Usando la litografia, formavano varie strisce paraboliche di diversi micrometri da sottili fogli di Permalloy.

I fisici hanno quindi esposto i campioni a un campo magnetico, orientando così i momenti magnetici nella parabola lungo questo campo magnetico. Hanno quindi esplorato sperimentalmente l'inversione della magnetizzazione utilizzando un metodo di analisi altamente sensibile al sincrotrone di HZB. Il team è stato in grado di dimostrare che i momenti magnetici nella striscia parabolica sono rimasti nella loro direzione originale fino a quando non è stato applicato un campo magnetico invertito di un certo valore critico.

Effetto sorprendentemente forte

Questa risposta ritardata è dovuta agli effetti chirali causati dalla curvatura nell'area dell'apice delle strisce di parabola. "I teorici hanno previsto da tempo questo comportamento insolito, ma in realtà era considerato più un trucco teorico, " spiega il Dr. Florian Kronast di Helmholtz-Zentrum Berlin. "Ma ora abbiamo dimostrato che questo trucco funziona davvero nella pratica. Abbiamo rilevato una risposta chirale magnetica in un materiale ferromagnetico morbido convenzionale, solo attraverso la curvatura geometrica delle strisce che abbiamo usato."

Nel processo, la squadra ha dovuto affrontare altre due sorprese:da un lato, l'effetto è stato straordinariamente forte, il che significa che potrebbe essere usato per influenzare le risposte magnetoelettriche dei materiali. D'altra parte, l'effetto è stato rilevato in un oggetto relativamente grande:parabole di dimensioni micrometriche che possono essere prodotte utilizzando la litografia convenzionale. In precedenza, gli esperti avevano ipotizzato che questi effetti chirali indotti dalla curvatura potessero essere osservati solo in oggetti magnetici con dimensioni di circa una dozzina di nanometri.

"In termini di possibili applicazioni, attendiamo con impazienza nuovi interruttori magnetici e dispositivi di archiviazione dati che utilizzano proprietà chirali indotte geometricamente, " sottolinea Makarov. Ci sono concetti che prevedono la futura memorizzazione di dati digitali in determinati oggetti magnetici, cosiddetti muri di dominio chirale o skyrmion. La recente scoperta potrebbe aiutare a produrre tali oggetti abbastanza facilmente, a temperatura ambiente, e utilizzando materiali comuni. Inoltre, l'effetto appena scoperto apre anche la strada a novità, sensori di campo magnetico ad alta sensibilità.