Un nuovo approccio alla progettazione di materiali artificiali potrebbe consentire dispositivi magnetici con una gamma di proprietà più ampia rispetto a quelli ora disponibili. Un team internazionale di ricercatori ha ora esteso le proprietà e i potenziali usi dei metamateriali utilizzando non una ma due classi molto diverse di nanostrutture, o metamolecole.

Le proprietà di una sostanza dipendono in gran parte dai suoi atomi costituenti e dal modo in cui questi atomi interagiscono tra loro. Il numero finito di tipi di atomi, però, impone un limite alla gamma di proprietà che un materiale convenzionale può avere. In contrasto, una nuova classe di materiali ingegnerizzati chiamati metamateriali non ha tale limitazione. I metamateriali sono tipicamente composti da una serie di nanostrutture che possono interagire con le onde elettromagnetiche più o meno allo stesso modo degli atomi. Inoltre, le proprietà ottiche di questi metamateriali possono essere sintonizzate alterando le dimensioni e la forma delle nanostrutture.

Un team internazionale di ricercatori guidati da Boris Luk'yanchuk presso l'A*STAR Data Storage Institute ha ora esteso le proprietà e i potenziali usi dei metamateriali utilizzando non una ma due classi di nanostrutture molto diverse, o metamolecole.

Luk'yanchuk e il team hanno modellato matematicamente una matrice bidimensionale di metamolecole comprendente una sfera di silicio accanto a un anello di rame parzialmente incompleto. Hanno studiato l'influenza sia della sfera che dell'anello diviso sulla componente magnetica di un'onda elettromagnetica incidente, una proprietà nota come magnetizzazione.

"Quando le due strutture erano distanti più di un micrometro, entrambi hanno agito per aumentare il campo magnetico locale, " dice Luk'yanchuk. Tuttavia, hanno iniziato a interagire quando si sono avvicinati, e i ricercatori hanno osservato che la magnetizzazione dell'anello diviso diminuisce e diventa persino negativa per separazioni inferiori a 0,5 micrometri.

Questa situazione è in qualche modo analoga all'ordinamento magnetico nei materiali "naturali". Quando tutti gli atomi contribuiscono in modo positivo alle proprietà magnetiche di un materiale, il materiale diventa un ferromagnete. Però, quando regioni alternate del materiale hanno magnetizzazione opposta, si dice che il materiale sia antiferromagnetico.

"Dimostriamo che i nostri reticoli ibridi di metamolecole mostrano un'interazione magnetica dipendente dalla distanza, aprendo nuovi modi per manipolare l'antiferromagnetismo artificiale con materiali a bassa perdita, " spiega Luk'yanchuk.

Sebbene l'analogia tra metamateriali e materiali magnetici non sia perfetta, si dice che la maggior parte dei metamateriali sia simile al ferromagnete. Il design proposto da Luk'yanchuk e dal team imita da vicino l'ordinamento antiferromagnetico, e questo apre l'opportunità ai ricercatori di studiare i fenomeni antiferromagnetici nei metamateriali. Un esempio notevole è la magnetoresistenza gigante, un fenomeno che è al centro delle moderne memorie elettroniche.

Luk'yanchuk afferma che un analogo metamateriale offrirebbe interessanti prospettive di ricerca. "Riteniamo che il nostro lavoro abbia il potenziale per avere un forte impatto sullo sviluppo di soluzioni integrate su chip per metamateriali riconfigurabili e controllati otticamente".