Rappresentazione dell'antiferromagnete CoF 2 trasformandosi in ferrimagnete sotto eccitazione ottica. Le frecce rosse e blu indicano le rotazioni antiparallelo originali. Gli impulsi di luce terahertz inducono cambiamenti nella struttura cristallina che polarizzano gli spin, creando un nuovo stato magnetico che può essere utilizzato per l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni. Credito:Jörg Harms / MPSD
I materiali magnetici sono stati un pilastro della tecnologia informatica grazie alla loro capacità di memorizzare in modo permanente le informazioni nel loro stato magnetico. Le attuali tecnologie si basano su ferromagneti, i cui stati possono essere facilmente capovolti dai campi magnetici. Più veloce, più denso, e dispositivi di nuova generazione più robusti sarebbero resi possibili utilizzando una diversa classe di materiali, noti come antiferromagneti. Il loro stato magnetico, però, è notoriamente difficile da controllare.
Ora, un gruppo di ricerca dell'MPSD e dell'Università di Oxford è riuscito a portare un prototipo di antiferromagnete in un nuovo stato magnetico utilizzando la luce a frequenza terahertz. Il loro metodo innovativo ha prodotto un effetto di ordini di grandezza maggiore di quanto precedentemente ottenuto, e su scale temporali ultraveloci. Il lavoro del team è stato appena pubblicato in Fisica della natura .
La forza e la direzione del "polo nord" di un magnete è indicata dalla sua cosiddetta magnetizzazione. Nei ferromagneti, questa magnetizzazione facilmente reversibile può rappresentare un 'bit' di informazione, che li ha resi i materiali di scelta per le tecnologie basate sui magneti. Ma i ferromagneti sono lenti a funzionare e reagiscono ai campi magnetici vaganti, il che significa che sono soggetti a errori e non possono essere imballati molto vicini tra loro.
Gli antiferromagneti rappresentano un'interessante alternativa. A differenza dei ferromagneti, non hanno magnetizzazione macroscopica, in quanto sono costituiti da alternanza di "momenti magnetici" rivolti verso l'alto e verso il basso, ' come magneti a barra di dimensioni atomiche che invertono la direzione da un atomo all'altro. Non sono fortemente influenzati dai campi magnetici, il che li rende robusti per l'archiviazione delle informazioni e consente loro di essere ridimensionati a dimensioni molto più piccole. Inoltre, potrebbero rispondere più velocemente dei dispositivi attuali, con frequenze fino a diversi terahertz. La sfida per i ricercatori è trovare modi per modificare in modo affidabile lo stato magnetico di un antiferromagnete.
Nel loro nuovo documento, il team di ricerca MPSD/Oxford ha seguito un approccio innovativo, studiando come lo stato magnetico di un antiferromagnete è influenzato dalla sua struttura cristallina. Hanno sfruttato una proprietà di alcuni antiferromagneti chiamata piezomagnetismo, dove un cambiamento nella struttura atomica porta ad una magnetizzazione, proprio come in un ferromagnete. Questo cambiamento si ottiene solitamente applicando una pressione uniassiale, ma questo è un processo lento che può rompere il cristallo.
Invece di pressione, il team ha usato la luce per controllare l'effetto piezomagnetico in CoF 2 . Il metodo, proveniente dal gruppo di Amburgo nel 2011, si basa su eccitanti vibrazioni reticolari, o "fononi, " con impulsi luminosi accuratamente studiati. Sintonizzando la frequenza e la polarizzazione degli impulsi luminosi, potrebbero indurre le stesse distorsioni strutturali che danno origine al piezomagnetismo senza dover sforzare il cristallo, un'idea sperimentale proposta dal coautore Paolo Radaelli dell'Università di Oxford durante la visita al MPSD nel 2018.
Questa tecnica innovativa ha permesso ai ricercatori di creare una magnetizzazione 400 volte più grande di quella ottenuta in precedenza. Sorprendentemente, ci sono voluti solo circa 100 ps per lo sviluppo della magnetizzazione e la direzione della magnetizzazione poteva essere invertita cambiando la polarizzazione della luce. I risultati rappresentano un importante progresso nel controllo ottico delle proprietà dei materiali.
L'autore principale Ankit Disa afferma:"Questo esperimento è stata la prima dimostrazione dell'ingegneria "razionale" o "intenzionale" di una struttura cristallina con la luce. Sapevamo quale tipo di distorsione strutturale era necessaria per creare una transizione di fase da un antiferromagnete a un ferromagnete -come stato. Il trucco era capire come usare la luce per guidare il materiale in questa nuova struttura cristallina. "
Andrea Cavalleri, che ha guidato il team sperimentale del MPSD ed è coinvolto nel cluster di eccellenza CUI:Advanced Imaging of Matter, vede un vasto potenziale nell'uso della luce per controllare le proprietà dei materiali:"Questa tecnica potrebbe portare a interruttori optomagnetici, Per esempio, per creare ricordi che potrebbero essere scritti e letti dalla luce. Più fondamentalmente, ora abbiamo gli strumenti e le conoscenze per ingegnerizzare otticamente la struttura dei materiali su scala atomica, che può essere applicato per manipolare le funzionalità in molti tipi di sistemi, dai magneti ai ferroelettrici ai superconduttori".
