Per magnetizzare un chiodo di ferro è sufficiente accarezzare più volte la sua superficie con una barra magnetica. Esiste però un metodo molto più insolito:un team guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha scoperto qualche tempo fa che una determinata lega di ferro può essere magnetizzata con impulsi laser ultracorti.
I ricercatori hanno ora collaborato con il Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) per studiare ulteriormente questo processo. Hanno scoperto che il fenomeno si verifica anche con una classe diversa di materiali, il che amplia notevolmente le potenziali prospettive di applicazione. Il gruppo di lavoro presenta i suoi risultati nella rivista Advanced Functional Materials .
La scoperta inaspettata è stata fatta nel 2018. Quando il team HZDR ha irradiato un sottile strato di una lega di ferro-alluminio con impulsi laser ultracorti, il materiale non magnetico è diventato improvvisamente magnetico.
La spiegazione:gli impulsi laser riorganizzano gli atomi nel cristallo in modo tale che gli atomi di ferro si avvicinano tra loro, formando così un magnete. I ricercatori sono poi riusciti a smagnetizzare nuovamente lo strato con una serie di impulsi laser più deboli. Ciò ha permesso loro di scoprire un modo per creare e cancellare minuscoli "punti magnetici" su una superficie.
Tuttavia, l’esperimento pilota lasciava ancora alcune domande senza risposta. "Non era chiaro se l'effetto si verificasse solo nella lega ferro-alluminio o anche in altri materiali", spiega il fisico dell'HZDR Dr. Rantej Bali. "Volevamo anche provare a monitorare la progressione temporale del processo." Per ulteriori indagini, ha collaborato con il dottor Theo Pflug dell'LHM e colleghi dell'Università di Saragozza in Spagna.
Gli esperti si sono concentrati specificamente su una lega ferro-vanadio. A differenza della lega ferro-alluminio con il suo reticolo cristallino regolare, nella lega ferro-vanadio gli atomi sono disposti in modo più caotico, formando una struttura amorfa simile al vetro. Per osservare cosa succede con l'irradiazione laser, i fisici hanno utilizzato un metodo speciale:il metodo pompa-sonda.
"Per prima cosa irradiamo la lega con un forte impulso laser, che magnetizza il materiale", spiega Theo Pflug. "Contemporaneamente utilizziamo un secondo impulso più debole che si riflette sulla superficie del materiale."
L'analisi dell'impulso laser riflesso fornisce un'indicazione sulle proprietà fisiche del materiale. Questo processo viene ripetuto più volte, per cui l'intervallo di tempo tra il primo impulso della "pompa" e il successivo impulso della "sonda" viene continuamente prolungato.
Di conseguenza, si ottiene una serie temporale di dati di riflessione, che consente di caratterizzare i processi innescati dall'eccitazione del laser. "L'intera procedura è simile alla creazione di un libro sfogliabile", afferma Pflug. "Allo stesso modo, una serie di singole immagini che si animano se visualizzate in rapida successione."
Il risultato:nonostante abbia una struttura atomica diversa rispetto al composto ferro-alluminio, la lega ferro-vanadio può essere magnetizzata anche tramite laser. "In entrambi i casi il materiale si scioglie brevemente nel punto di irradiazione", spiega Rantej Bali. "Ciò fa sì che il laser cancelli la struttura precedente in modo che venga generata una piccola area magnetica in entrambe le leghe."
Un risultato incoraggiante:a quanto pare, il fenomeno non è limitato a una struttura materiale specifica ma può essere osservato in diverse disposizioni atomiche.
Il team tiene traccia anche della dinamica temporale del processo:"Almeno ora sappiamo in quale scala temporale accade qualcosa", spiega Theo Pflug. "In pochi femtosecondi, l'impulso laser eccita gli elettroni nel materiale. Diversi picosecondi dopo, gli elettroni eccitati trasferiscono la loro energia ai nuclei atomici."
Di conseguenza, questo trasferimento di energia provoca la riorganizzazione in una struttura magnetica, che viene stabilizzata dal successivo rapido raffreddamento. Negli esperimenti di follow-up, i ricercatori mirano a osservare esattamente come gli atomi si riorganizzano esaminando il processo di magnetizzazione con intensi raggi X.
Anche se ancora in fase iniziale, questo lavoro fornisce già le prime idee per possibili applicazioni:è ipotizzabile, ad esempio, posizionare minuscoli magneti sulla superficie di un chip tramite laser. "Ciò potrebbe essere utile per la produzione di sensori magnetici sensibili, come quelli utilizzati nei veicoli", ipotizza Rantej Bali. "Potrebbe anche trovare possibili applicazioni nell'archiviazione di dati magnetici."
Inoltre, il fenomeno sembra rilevante per un nuovo tipo di elettronica, vale a dire la spintronica. In questo caso, i segnali magnetici dovrebbero essere utilizzati per i processi di elaborazione digitale invece degli elettroni che passano attraverso i transistor come al solito, offrendo un possibile approccio alla tecnologia informatica del futuro.
Ulteriori informazioni: Theo Pflug et al, Riordino posizionale e chimico del reticolo indotto dal laser che genera ferromagnetismo, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
