Ricercatori dell'UAB, ICMAB e il Sincrotrone ALBA, in collaborazione con UB e ICN2, hanno sviluppato una nuova tecnica per modificare localmente le proprietà di un materiale metamagnetico. Il metodo consiste nell'applicare una pressione locale sulla superficie del materiale mediante aghi nanometrici e consente una modifica molto più semplice e locale rispetto ai metodi attuali. La ricerca apre le porte a un controllo più accurato e preciso dei materiali magnetici e consente di migliorare l'architettura e la capacità delle memorie digitali magnetiche.

Alcuni dispositivi di memoria in cui vengono archiviate le informazioni provenienti da smartphone e computer si basano su un controllo molto preciso delle proprietà magnetiche, su scala nanoscopica. Quanto più preciso è questo controllo, maggiore è la capacità di archiviazione e la velocità che possono avere. In certi casi, la combinazione di ferromagnetismo (dove il magnetismo di tutti gli atomi nel materiale punta nella stessa direzione) e antiferromagnetismo (dove il magnetismo degli atomi nel materiale punta alternativamente in direzioni opposte) viene utilizzata per memorizzare le informazioni. Uno dei materiali che possono mostrare queste due disposizioni è la lega di ferro e rodio (FeRh), perché mostra una transizione metamagnetica tra queste due fasi a una temperatura molto vicina alla temperatura ambiente. In particolare, può cambiare stato da antiferromagnetico a ferromagnetico semplicemente quando riscaldato. Lo stato antiferromagnetico è più robusto e sicuro di quello ferromagnetico, poiché non è facilmente alterabile dalla presenza di magneti nelle sue vicinanze, cioè un campo magnetico esterno non può cancellare facilmente le informazioni.

Un team di ricercatori dell'UAB, l'ICMAB, e il Sincrotrone ALBA, insieme a scienziati dell'UB e dell'ICN2, hanno usato la pressione meccanica per modificare questa transizione e stabilizzare lo stato antiferromagnetico. I ricercatori hanno osservato che premendo la superficie della lega ferro-rodio con un ago di dimensioni nanometriche, lo stato magnetico cambia in modo semplice e localizzato. Premendo su diverse aree del materiale, i ricercatori sono riusciti a generare nano-isole antiferromagnetiche incorporate in una matrice ferromagnetica, un compito molto difficile con le attuali tecniche disponibili. Se il processo viene ripetuto su tutta la superficie della lega, la nuova tecnica può indurre questo cambiamento su ampie aree dei modelli di disegno del materiale con risoluzione nanoscopica con aree con diverse proprietà magnetiche, generando strutture piccole come quelle attualmente realizzabili con metodi più complessi.

Miglioramento per miniaturizzare i dispositivi magnetici

Questo è un importante miglioramento per miniaturizzare i modelli che possono essere costruiti con materiali magnetici, un miglioramento nella risoluzione degli strumenti che gli ingegneri utilizzano per progettare i dispositivi magnetici della tecnologia che usiamo quotidianamente. "L'idea è molto semplice, " spiega Ignasi Fina, ricercatore presso l'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB-CSIC), "nelle transizioni di fase, tutto ciò che fai al materiale ha un grande impatto sulle altre proprietà. La nostra lega ha una transizione di fase magnetica. Con un ago nanometrico cambiamo l'ordine magnetico semplicemente premendo il materiale. Nello specifico, cambia da ferromagnetico ad antiferromagnetico. E poiché l'ago è nanometrico, il cambiamento è su scala nanometrica".

"La nuova tecnica basata sull'applicazione della pressione tramite nanoaghi può consentire la costruzione di dispositivi magnetici nanometrici con strutture molto più piccole e molto più robuste e sicure di quelle attuali, facilitando la fabbricazione di memorie magnetiche con diverse architetture che ne migliorano le capacità, " afferma il ricercatore ICREA del Dipartimento di Fisica dell'UAB, Jordi Sort.

Esistono altre tecniche basate sull'applicazione di tensioni o campi magnetici intensi per aumentare la stabilità della fase antiferromagnetica della lega, ma causano cambiamenti su larga scala nell'intero materiale, che ne limitano la capacità di controllo e di miniaturizzazione. L'applicazione della pressione in modo molto localizzato offre una precisione senza precedenti, interessando solo piccole aree locali alla scala nanometrica. Quando si preme, la temperatura di transizione della lega aumenta, la temperatura alla quale cambia il suo stato, che comporta il cambiamento nella sua magnetizzazione.

Al fine di risolvere i cambiamenti magnetici attorno a una rientranza individuale su scala nanometrica, il lavoro ha utilizzato la microscopia elettronica a fotoemissione combinata con il dicroismo circolare magnetico a raggi X alla linea di luce CIRCE-PEEM del sincrotrone ALBA. "Le nostre tecniche basate sulla luce di sincrotrone rendono possibile risolvere i cambiamenti su scala davvero ridotta, " spiega Michael Foerster, scienziato della linea di luce all'ALBA.

Applicazioni in altri campi

Le possibili applicazioni vanno oltre i materiali magnetici. Il fatto di modificare le proprietà di un materiale applicando una pressione, cioè., modificando il volume cellulare della sua struttura cristallina, possono essere estrapolati ad altri tipi di materiali. I ricercatori ritengono che questa tecnica apra le porte a un nuovo modo di nanostrutturare le proprietà fisiche e funzionali dei materiali, e di implementare nuove architetture in altri tipi di nanodispositivi e microdispositivi non magnetici.

La ricerca è stata evidenziata sulla copertina dell'ultima edizione della rivista Orizzonti di materiali .