Anomalie fononiche attraverso transizioni di fase magnetiche in MnBi2 Te4 . un Struttura cristallina di MnBi2 Te4 . b Autospostamenti dell'A1g (1) e A1g (2) modi, con le frecce che indicano lo spostamento degli ioni. c, d Spettri Raman di A1g (1) (c) e A1g (2) (d) modalità nelle fasi paramagnetica (PM) e antiferromagnetica (AFM) a 0 T, mostrate rispettivamente in rosso e blu. e, f Spettri Raman di A1g (1) (e) e A1g (2) (f) modalità nelle fasi AFM e ferromagnetica (FM) a 5 K, mostrate rispettivamente in blu e viola. g, h La differenza tra gli spettri nelle fasi AFM e FM. io, j Diagrammi di contorno della differenza sottraendo lo spettro 9 T, in funzione del campo magnetico. Le linee tratteggiate indicano i campi critici FM e spin-flop. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-29545-5
Il magnetismo, una delle più antiche tecnologie conosciute dall'uomo, è in prima linea nei materiali della nuova era che potrebbero consentire l'elettronica lossless di prossima generazione e i computer quantistici. I ricercatori guidati da Penn State e dall'Università della California, a San Diego, hanno scoperto una nuova "manopola" per controllare il comportamento magnetico di un promettente materiale quantistico e i risultati potrebbero aprire la strada a dispositivi nuovi, efficienti e ultraveloci.
"La composizione meccanica quantistica unica di questo materiale - tellururo di bismuto manganese - gli consente di trasportare correnti elettriche senza perdite, qualcosa di enorme interesse tecnologico", ha affermato Hari Padmanabhan, che ha guidato la ricerca come studente laureato alla Penn State. "Ciò che rende questo materiale particolarmente intrigante è che questo comportamento è profondamente connesso alle sue proprietà magnetiche. Quindi, una manopola per controllare il magnetismo in questo materiale potrebbe anche controllare in modo efficiente queste correnti senza perdite."
Il tellururo di bismuto di manganese, un materiale 2D costituito da strati sovrapposti atomicamente sottili, è un esempio di isolante topologico, materiali esotici che possono essere contemporaneamente isolanti e conduttori di elettricità, hanno affermato gli scienziati. È importante sottolineare che, poiché questo materiale è anche magnetico, le correnti condotte attorno ai suoi bordi potrebbero essere senza perdite, il che significa che non perdono energia sotto forma di calore. Trovare un modo per regolare i deboli legami magnetici tra gli strati del materiale potrebbe sbloccare queste funzioni.
Minuscole vibrazioni di atomi, o fononi, nel materiale potrebbero essere un modo per raggiungere questo obiettivo, hanno riferito gli scienziati l'8 aprile sulla rivista Nature Communications .
"I fononi sono piccoli movimenti atomici:atomi che danzano insieme in vari modelli, presenti in tutti i materiali", ha detto Padmanabhan. "Mostriamo che queste oscillazioni atomiche possono potenzialmente funzionare come una manopola per regolare il legame magnetico tra gli strati atomici nel tellururo di bismuto manganese."
Gli scienziati della Penn State hanno studiato il materiale utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia magneto-ottica, sparando un laser su un campione del materiale e misurando il colore e l'intensità della luce riflessa, che trasporta informazioni sulle vibrazioni atomiche. Il team ha osservato come le vibrazioni cambiavano mentre alteravano la temperatura e il campo magnetico.
Mentre alteravano il campo magnetico, gli scienziati hanno osservato cambiamenti nell'intensità dei fononi. Questo effetto è dovuto ai fononi che influenzano il debole legame magnetico tra gli strati, hanno affermato gli scienziati.
"Utilizzando la temperatura e il campo magnetico per variare la struttura magnetica del materiale, proprio come usare un magnete da frigorifero per magnetizzare una bussola ad ago, abbiamo scoperto che le intensità dei fononi erano fortemente correlate con la struttura magnetica", ha affermato Maxwell Poore, studente laureato presso l'UC San Diego e coautore dello studio. "Abbinando questi risultati ai calcoli teorici, abbiamo dedotto che queste vibrazioni atomiche modificano il legame magnetico tra gli strati di questo materiale."
Gli scienziati dell'UC San Diego hanno condotto esperimenti per tracciare queste vibrazioni atomiche in tempo reale. I fononi oscillano più velocemente di un trilione di volte al secondo, molte volte più velocemente dei moderni chip per computer, hanno affermato gli scienziati. Un processore per computer da 3,5 gigahertz, ad esempio, funziona a una frequenza di 3,5 miliardi di volte al secondo.
"La cosa bella di questo risultato è che abbiamo studiato il materiale utilizzando diversi metodi sperimentali complementari in diverse istituzioni e tutti si sono notevolmente uniti alla stessa immagine", ha affermato Peter Kim, studente laureato presso l'UC San Diego e coautore dell'articolo .
Sono necessarie ulteriori ricerche per utilizzare direttamente la manopola magnetica, hanno affermato gli scienziati. Ma se ciò può essere raggiunto, potrebbe portare a dispositivi ultraveloci in grado di controllare in modo efficiente e reversibile le correnti senza perdite.
"Una sfida importante nel realizzare processori elettronici più veloci e potenti è che si surriscaldano", ha affermato Venkatraman Gopalan, professore di scienza dei materiali, ingegneria e fisica alla Penn State, ex consigliere di Padmanabhan e coautore dell'articolo. "Il riscaldamento spreca energia. Se potessimo trovare modi efficienti per controllare i materiali che ospitano correnti senza perdite, ciò ci consentirebbe potenzialmente di distribuirli in futuri dispositivi elettronici ad alta efficienza energetica". + Esplora ulteriormente
