Utilizzando sensori quantistici su nanoscala, un team di ricerca internazionale è riuscito a esplorare alcune proprietà fisiche precedentemente inesplorate di un materiale antiferromagnetico. Sulla base dei loro risultati, i ricercatori hanno sviluppato un concetto per un nuovo supporto di memorizzazione pubblicato sulla rivista Fisica della natura . Il progetto è stato coordinato da ricercatori del Dipartimento di Fisica e dello Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea.

Gli antiferromagneti costituiscono il 90% di tutti i materiali ordinati magneticamente. A differenza dei ferromagneti come il ferro, in cui i momenti magnetici degli atomi sono orientati parallelamente tra loro, l'orientamento dei momenti magnetici negli antiferromagneti si alterna tra atomi vicini. Per effetto della cancellazione dei momenti magnetici alternati, i materiali antiferromagnetici appaiono non magnetici e non generano un campo magnetico esterno.

Gli antiferromagneti sono molto promettenti per applicazioni entusiasmanti nell'elaborazione dei dati, poiché l'orientamento del loro momento magnetico, contrariamente ai ferromagneti utilizzati nei supporti di memorizzazione convenzionali, non può essere accidentalmente sovrascritto dai campi magnetici. Negli ultimi anni, questo potenziale ha dato origine al nascente campo di ricerca della spintronica antiferromagnetica, che è al centro di numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo.

I sensori quantistici forniscono nuove informazioni

In collaborazione con i gruppi di ricerca del Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum di Dresda, Germania) e il Professor Denis D. Sheka (Università Nazionale Taras Sevchenko di Kiev, Ucraina), il team guidato dal professor Patrick Maletinsky a Basilea ha esaminato un singolo cristallo di ossido di cromo(III) (Cr2O3). Questo singolo cristallo è un sistema quasi perfettamente ordinato, in cui gli atomi sono disposti in un reticolo cristallino regolare con pochissimi difetti. "Possiamo alterare il singolo cristallo in modo tale da creare due aree (domini) in cui l'ordine antiferromagnetico ha orientamenti diversi, " spiega Natascha Hedrich, autore principale dello studio.

Questi due domini sono separati da un muro di dominio. Ad oggi, esami sperimentali di pareti di dominio di questo tipo in antiferromagneti sono riusciti solo in casi isolati e con dettagli limitati. "Grazie all'elevata sensibilità e all'eccellente risoluzione dei nostri sensori quantistici, siamo stati in grado di dimostrare sperimentalmente che la parete del dominio mostra un comportamento simile a quello di una bolla di sapone, " spiega Maletinsky. Come una bolla di sapone, la parete del dominio è elastica e tende a minimizzare la sua energia superficiale. Di conseguenza, la sua traiettoria riflette le proprietà del materiale antiferromagnetico del cristallo e può essere prevista con un alto grado di precisione, come confermato dalle simulazioni effettuate dai ricercatori di Dresda.

L'architettura della superficie determina la traiettoria

I ricercatori sfruttano questo fatto per manipolare la traiettoria del muro del dominio in un processo che contiene la chiave del nuovo supporto di memorizzazione proposto. A tal fine, Il team di Maletinsky struttura selettivamente la superficie del cristallo su scala nanometrica, lasciando dietro di sé piccoli quadrati rialzati. Questi quadrati quindi alterano la traiettoria della parete del dominio nel cristallo in modo controllato.

I ricercatori possono utilizzare l'orientamento dei quadrati rialzati per dirigere il muro del dominio su un lato del quadrato o sull'altro. Questo è il principio fondamentale alla base del nuovo concetto di archiviazione dei dati:se il muro del dominio corre alla "destra" di un quadrato rialzato, questo potrebbe rappresentare un valore di 1, pur avendo la parete del dominio a "sinistra" potrebbe rappresentare un valore pari a 0. Tramite riscaldamento localizzato con un laser, la traiettoria della parete del dominio può essere ripetutamente modificata, rendendo il supporto di memorizzazione riutilizzabile.

"Prossimo, intendiamo vedere se le pareti del dominio possono essere spostate anche per mezzo di campi elettrici, " Spiega Maletinsky. "Questo renderebbe gli antiferromagneti adatti come supporto di memorizzazione più veloce dei sistemi ferromagnetici convenzionali, consumando sostanzialmente meno energia."