Fisici dell'Università di Groningen e della Fondazione FOM, guidato dalla professoressa Beatriz Noheda, hanno scoperto un nuovo composto di manganese prodotto dalla tensione nella struttura cristallina dell'ossido di terbio e manganese. La tecnica che hanno usato per creare questo nuovo materiale potrebbe aprire la strada a nuovi circuiti su nanoscala. I loro risultati sono stati pubblicati il ​​20 novembre 2014 sulla rivista Natura .

I ricercatori hanno sviluppato uno strato molto sottile (non più di poche dozzine di atomi di spessore) del cristallo di ossido di manganese di terbio su uno strato di base più spesso di ossido di stronzio e titanio. Questo strato di base influisce sulla crescita dello strato sottile. Quando i pezzi di cristallo in crescita si incontrano, si sviluppa un'interfaccia o "muro di dominio", e la struttura cristallina viene sottoposta a trazione in questa parete.

nanoreattore

Fino a qualche anno fa, gli scienziati dei materiali durante la creazione di strati molto sottili hanno cercato di impedire la formazione di pareti di dominio a causa di questo stress di trazione. "I muri di dominio erano visti come contaminazione", dice Noheda. Poi è apparso chiaro che la tensione nella struttura cristallina ha effettivamente investito il materiale di nuove proprietà, e, come ormai è apparso evidente, la parete del dominio può diventare un reattore chimico su scala nanometrica.

Muri

I ricercatori di Groningen hanno acquisito molta esperienza nel controllo del numero di muri di dominio che si sviluppano. La composizione dello strato di base influisce su questo, ad esempio, e più sottile è lo strato di cristallo, maggiore è il numero di muri che si verificano.

"Oltre a controllare quanti muri si sviluppano, un'altra grande sfida è stata quella di analizzare esattamente cosa succede in un muro, poiché questo è generalmente spesso solo un atomo", dice Noheda. Un modo per analizzare il materiale nel muro è confrontare campioni che comprendono un numero diverso di pareti. I ricercatori hanno visto che più muri c'erano, quanto più magnetico era il materiale. "L'osservazione diretta di un campo magnetico non è ancora possibile su scala atomica, in particolare non in un isolatore", dice Noheda.

Linea a zig-zag

Un'analisi chimica avanzata a risoluzione atomica è stata utilizzata per dimostrare che la composizione del cristallo nelle pareti era cambiata:in luoghi specifici un atomo di manganese aveva preso il posto di un atomo di terbio più grande. L'atomo di terbio forma una sorta di linea a zigzag nella struttura cristallina. Due zigzag opposti si incontrano nel muro del dominio, facendo sì che alcuni degli atomi di terbio si avvicinassero molto. "Questo crea una tensione significativa, l'atomo di terbio scompare dal cristallo, e un atomo di manganese più piccolo prende il suo posto", spiega Noheda. A differenza del normale cristallo, questo manganese in più rende la parete magnetica.

Nuova chimica

Il professor Maxim Mostovoy ha modellato il magnetismo, e i suoi risultati corrispondono ai risultati dell'esperimento:"Un legame che non è stato ancora descritto si verifica tra cinque atomi di manganese. Vediamo quindi una nuova chimica nella parete del dominio". Questo rende la parete del dominio una sorta di reattore chimico su nanoscala. "E sospettiamo che questo tipo di nuovo legame si verificherà in tutti i cristalli con questa struttura a zigzag".

circuiti

Noheda spera in ulteriori ricerche per generare muri con il potenziale per formare circuiti. Potrebbero quindi svilupparsi circuiti minuti di pochi atomi. "Ma spero anche che i chimici si mettano al lavoro su questi nanoreattori".

Beatriz Noheda e Maxim Mostovoy lavorano entrambi allo Zernike Institute for Advanced Materials, parte della Facoltà di Matematica e Scienze Naturali dell'Università di Groningen. La ricerca è stata finanziata da NanoNextNL e dalla Fondazione FOM.