I fisici alla ricerca di una trama di spin magnetico raramente vista hanno scoperto un altro oggetto che porta i suoi segni distintivi, nascosto nella struttura di film magnetici ultrasottili, che hanno chiamato un cristallo di spin incommensurabile.

Un team dell'Università di Warwick riporta i risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , che potrebbe offrire nuove possibilità per tecnologie come la memoria e l'archiviazione dei computer.

I ricercatori inizialmente si sono proposti di trovare uno skyrmion, una vorticosa trama di spin magnetico teorizzato esistere in particolari materiali magnetici e che sono di grande interesse per i fisici a causa delle loro proprietà uniche e del potenziale per una nuova generazione di archiviazione dei dati ad alta efficienza energetica. Per trovarli, gli scienziati cercano un comportamento anomalo dell'effetto Hall; questo fa sì che gli elettroni che si muovono attraverso un materiale conduttore si comportino in modo diverso, misurata come resistività.

Per indurre questo effetto, il team ha creato campioni combinando un film estremamente sottile di materiale ferroelettrico, titanato di piombo, con un altro film sottile di ferromagnete, rutanato di stronzio. Questi strati sono atomicamente piatti, uno spessore di appena cinque o sei celle (3 nanometri).

Lo strato ferroelettrico induce un campo elettrico che deforma la struttura atomica del ferromagnete, rompendo la sua simmetria. Utilizzando la microscopia elettronica di precisione atomica, hanno misurato questa rottura di simmetria, e sono stati anche in grado di misurare separatamente la resistività elettrica del materiale e hanno confermato la presenza di caratteristiche simili all'effetto Hall Topologico, come ci si aspetterebbe da uno skyrmion.

Quindi i ricercatori hanno utilizzato la microscopia a forza magnetica per esaminare la topologia della struttura atomica del materiale, che formava un reticolo basato su rettangoli, non esagoni, come si aspetterebbero. All'interno di questo reticolo ci sono domini magnetici in cui si troverebbero gli skyrmioni come individui, particelle isolate. Anziché, questi domini si sono formati più come perline su un filo o una collana, con perline che non formano mai un cerchio perfetto.

L'autore principale Sam Seddon, un dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick, disse:"Una volta esaminate attentamente le immagini, tu realizzi, in realtà, questo non si presenta affatto come uno skyrmion.

"Uno skyrmion causa il suo complicato effetto Hall e quando si osservano effetti dall'aspetto simile viene spesso trattato come una firma dello skyrmion. Abbiamo trovato una struttura di dominio molto ordinata, proprio come si formerebbe un reticolo skyrmion, tuttavia sono semplicemente chirali e non topologicamente protetti. Ciò che questo mostra con le prove di imaging nello spazio reale è che non è necessario un dominio topologico per causare un effetto Hall di questo tipo".

I materiali ferroelettrici e ferromagnetici sono importanti per tecnologie come la memoria e l'archiviazione dei computer. Per esempio, materiali molto simili al titanato di piombo sono spesso utilizzati per la memoria del computer nei sistemi elettronici delle automobili, grazie alla loro robustezza e capacità di operare a temperature estreme.

Il co-autore, il professor Marin Alexe dell'Università di Warwick, ha dichiarato:"C'è interesse per questi tipi di interfacce tra materiali ferroelettrici e ferromagnetici, come per i nuovi tipi di memoria del computer. Poiché la polarizzazione ferroelettrica può essere commutata in modo permanente, questo modifica un effetto quantistico in un ferromagnete e potrebbe darci indicazioni per i materiali per i prossimi computer quantistici. Questi avranno bisogno di materiali stabili che funzionino a temperature estreme, sono a basso consumo energetico, e può memorizzare informazioni per lungo tempo, quindi tutti gli ingredienti sono qui.

"La topologia è la traduzione di alcuni concetti matematici nella vita reale ed è ora al centro di nuove scoperte in fisica. All'Università di Warwick disponiamo di un'infrastruttura straordinaria e avanzata che ci permette di affrontare un problema dal punto di vista teorico, a guardare la struttura atomica, fino a esaminare le proprietà funzionali a temperature e campi estremi, soprattutto i campi magnetici. Siamo in grado di offrire le basi da cui gli ingegneri possono sviluppare nuove tecnologie."