Gli scienziati dei materiali della Duke University hanno mostrato il primo chiaro esempio che la transizione di un materiale in un magnete può controllare le instabilità nella sua struttura cristallina che lo fanno cambiare da conduttore a isolante.

Se i ricercatori possono imparare a controllare questa connessione unica tra le proprietà fisiche identificate nel solfuro di ferro esagonale, potrebbe consentire nuove tecnologie come l'informatica spintronica. I risultati appaiono il 13 aprile sulla rivista Fisica della natura .

Comunemente noto come troilite, il solfuro di ferro esagonale si trova nativamente sulla Terra ma è più abbondante nei meteoriti, in particolare quelli provenienti dalla Luna e da Marte. Raramente incontrato nella crosta terrestre, si ritiene che la maggior parte dei troiliti sulla Terra abbia avuto origine dallo spazio.

Nonostante la sua relativa rarità, la troilite è stata studiata dal 1862 senza molto clamore. Un recente articolo teorico, però, ha suggerito che potrebbe esserci una nuova fisica in gioco tra le temperature di 289 e 602 gradi Fahrenheit, l'intervallo di temperatura in cui la troilite diventa sia magnetica che isolante.

"Il documento ha teorizzato che il modo in cui gli atomi si spostano nella loro struttura cristallina ha un impatto sulle proprietà del minerale attraverso un effetto piuttosto complicato che non è stato visto prima, " disse Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, fisica e chimica alla Duke. "L'aspetto più importante è questa interazione tra proprietà magnetiche e dinamica atomica, che è un argomento che non è stato studiato molto prima, ma sta aprendo nuove possibilità nelle tecnologie informatiche."

Per arrivare al cuore dello strano comportamento del materiale, Delaire e i suoi colleghi si sono rivolti a Haidong Zhou, assistente professore di fisica della materia condensata sperimentale presso l'Università del Tennessee, per il difficile compito di far crescere cristalli perfetti di troilite. I ricercatori hanno quindi portato campioni all'Oak Ridge National Laboratory e all'Argonne National Laboratory per farli esplodere con neutroni e raggi X, rispettivamente.

Quando particelle come neutroni o raggi X rimbalzano sugli atomi all'interno di un materiale, i ricercatori possono prendere queste informazioni di dispersione per ricostruire la sua struttura atomica e le dinamiche. Poiché i neutroni hanno il loro momento magnetico interno, possono anche rivelare la direzione dello spin magnetico di ciascun atomo. Ma poiché i neutroni interagiscono debolmente con gli atomi, I raggi X sono anche molto utili per risolvere la struttura atomica di un materiale e le vibrazioni atomiche in minuscoli cristalli. I ricercatori hanno confrontato i risultati delle due diverse scansioni utilizzando modelli di meccanica quantistica creati su un supercomputer del Lawrence Berkeley National Laboratory per assicurarsi di aver capito cosa stava succedendo.

Dopo aver osservato i cambiamenti che si verificano attraverso le trasformazioni di fase della troilite, i ricercatori hanno scoperto al lavoro meccanismi inediti. Ad alte temperature, gli spin magnetici degli atomi di troilite puntano in direzioni casuali, rendendo il materiale non magnetico. Ma una volta che la temperatura scende sotto i 602 gradi Fahrenheit, i momenti magnetici si allineano naturalmente e nasce un magnete.

L'allineamento di quegli spin magnetici sposta la dinamica vibratoria degli atomi. Questo spostamento fa deformare leggermente l'intera struttura atomica cristallina, che a sua volta crea un gap di banda che gli elettroni non possono attraversare. Questo fa sì che la troilite perda la sua capacità di condurre elettricità.

"Questo è il primo chiaro esempio che l'allineamento degli spin magnetici può controllare le instabilità della struttura cristallina di un materiale, " disse Delaire. "E poiché queste instabilità portano a una connessione tra le proprietà magnetiche e di conduttività del cristallo, questo è il tipo di materiale che è entusiasmante in termini di abilitazione di nuovi tipi di dispositivi".

La capacità di regolare lo stato magnetico di un materiale applicando correnti elettriche, e viceversa, sarebbe essenziale per la realizzazione di tecnologie come l'elettronica di spin, ha detto Delaire. Conosciuto come spintronica in breve, questo campo emergente cerca di utilizzare lo spin intrinseco di un elettrone e il momento magnetico associato per memorizzare e manipolare i dati. In combinazione con il ruolo tradizionale di un elettrone nell'informatica, ciò consentirebbe ai processori dei computer di diventare più densi ed efficienti.

Attraverso questo documento, Delaire e i suoi colleghi hanno identificato i controlli magnetici dei meccanismi di distorsione della struttura cristallina, dando ai ricercatori una maniglia per manipolare l'uno con l'altro. Mentre quella maniglia è attualmente basata sui cambiamenti di temperatura, il prossimo passo per i ricercatori è guardare all'applicazione di campi magnetici esterni per vedere come potrebbero influenzare la dinamica atomica del materiale.

Che la troilite diventi o meno il nuovo silicio per la prossima generazione di tecnologie informatiche, Delaire dice che trovare questo meccanismo unico in un materiale così noto è una buona lezione per l'intero campo.

"È sorprendente che, anche se hai un composto relativamente semplice, puoi avere questo meccanismo fantasioso che potrebbe finire per abilitare nuove tecnologie, — disse Delaire. — In un certo senso, è un campanello d'allarme che dobbiamo riconsiderare alcuni dei materiali più semplici per cercare effetti simili altrove".