Una nuova ricerca su un semiconduttore atomicamente sottile dimostra come il magnetismo di un materiale può essere controllato utilizzando piccole quantità di deformazione. Pubblicato in Nanotecnologia della natura , questo studio fornisce informazioni chiave per applicazioni che vanno dai nuovi dispositivi spintronici ai dischi rigidi più veloci. Questa ricerca è stata condotta dallo studente laureato Zhuoliang Ni e guidata dall'assistente professore Liang Wu in collaborazione con Charlie Kane ed Eugene Mele di Penn, così come i ricercatori dell'Università del Tennessee, Knoxville, Università del Texas A&M, l'Università di Friburgo, e l'Oak Ridge National Laboratory.

Il laboratorio di Wu si concentra principalmente su esperimenti con materiali topologici. Ma, con recenti studi sugli effetti fotogalvanici di due leghe metalliche e la scoperta di particelle esotiche nel monosiliciuro di cobalto, l'ultimo articolo del laboratorio sul triseleniuro di fosforo di manganese (MnPSe3), un materiale semiconduttore, approfondisce concetti sulla simmetria, una caratteristica fisica o matematica di un sistema che non cambia quando sottoposto a determinate trasformazioni. La simmetria è un'idea chiave in fisica, dalle leggi di conservazione al comportamento delle particelle, ed è centrale nella comprensione di materiali che hanno proprietà controllabili, o commutabile, stati magnetici come MnPSe3.

Esistono diversi tipi di magneti. Per materiali ferromagnetici, gli elettroni ruotano tutti nella stessa direzione e infondono al materiale un magnetismo spontaneo che consente loro di aderire a determinati tipi di metalli. In contrasto, materiali antiferromagnetici, come MnPSe3, hanno uno schema con un numero uguale di elettroni con spin su e giù in una disposizione antiparallela. Questo annulla i loro momenti magnetici complessivi, il che significa che non hanno un campo vagante esterno come i materiali ferromagnetici; però, hanno ancora elettroni con diversi orientamenti di spin.

I dischi rigidi esistenti si basano su materiali ferromagnetici, dove i cambiamenti nelle direzioni dello spin dell'elettrone rappresentano i bit, o gli zeri e gli uno, che compongono la memoria, ma c'è interesse nello sviluppo di dispositivi di memoria da materiali antiferromagnetici. Per esempio, le informazioni memorizzate nei dispositivi ferromagnetici possono andare perse se è presente un altro campo magnetico. Questi dispositivi sono anche limitati nella velocità con cui possono funzionare dal tempo necessario per cambiare manualmente un po', nell'intervallo dei nanosecondi. Materiali antiferromagnetici, d'altra parte, sono in grado di cambiare i loro orientamenti di rotazione molto più rapidamente, nell'intervallo dei picosecondi, e sono anche molto meno sensibili ai campi magnetici esterni.

Ma mentre i materiali antiferromagnetici presentano alcuni vantaggi, lavorare con questo tipo di materiale, soprattutto uno che è bidimensionale, è tecnicamente impegnativo, dice Wu. Per studiare questo materiale, Ni e Wu hanno dovuto prima sviluppare un modo per misurare segnali minuti senza fornire troppa potenza che avrebbe danneggiato il materiale atomicamente sottile. "Utilizzando un contatore di fotoni, siamo riusciti ad abbassare il rumore, " Wu dice. "Questa è la svolta tecnica che ci ha permesso di rilevare l'antiferromagnetismo nel monostrato".

Utilizzando il loro nuovo approccio di imaging, i ricercatori hanno scoperto che potevano "commutare" il materiale in una fase antiferromagnetica a basse temperature. Hanno anche scoperto che il materiale aveva meno stati, simile ai bit utilizzati nella memoria del computer, del previsto. I ricercatori hanno osservato solo due stati anche se, in base alla sua simmetria rotazionale, si prevedeva che avesse sei stati.

Wu si rivolse a Kane e Mele per elaborare una teoria che potesse aiutare a spiegare questi risultati inaspettati, e attraverso questa collaborazione ha realizzato l'impatto significativo che la deformazione laterale, come stiramento o taglio, potrebbe avere sulla sua simmetria. "Un campione perfetto ha una triplice simmetria rotazionale, ma se qualcosa lo tira non è più lo stesso se lo ruoti di 120°, " dice Kane. "Una volta che Liang ha suggerito che potrebbe esserci tensione, fu subito ovvio come teorico che due dei sei domini dovessero essere scelti."

Dopo esperimenti di follow-up che hanno confermato la loro ipotesi, i ricercatori sono stati inoltre sorpresi di quanto potente possa essere una piccola quantità di sforzo nel modificare le proprietà del materiale. "Nel passato, le persone usavano lo sforzo per cambiare le direzioni di rotazione, ma nel nostro caso l'importante è che una piccola quantità di sforzo possa controllare lo spin, e questo perché il ruolo del ceppo è davvero fondamentale nella transizione di fase nel nostro caso, " dice Wu.

Con questa nuova intuizione, i ricercatori affermano che questo studio potrebbe essere un punto di partenza per un migliore controllo delle proprietà antiferromagnetiche utilizzando piccoli cambiamenti nel ceppo. La deformazione è anche una proprietà molto più facile da controllare in questa classe di materiali, che attualmente richiedono un enorme campo magnetico, dell'ordine di diversi tesla, per cambiare la direzione di rotazione degli elettroni e potrebbe essere una sorta di quadrante o manopola che potrebbe cambiare l'ordine magnetico, o lo schema degli spin dell'elettrone.

"L'assenza di campi vaganti nei materiali antiferromagnetici significa che non hai una cosa macroscopica che puoi usare per manipolare il momento, "dice Mele, "Ma c'è un certo grado di libertà interno che ti permette di farlo accoppiando direttamente all'ordine".

Per approfondire questo materiale, Ni sta lavorando a diversi esperimenti di follow-up. Ciò include vedere se i campi elettrici e gli impulsi possono cambiare la direzione di rotazione e valutare l'uso di impulsi terahertz, la frequenza di risonanza naturale dei materiali antiferromagnetici, nel controllare sia la direzione di spin dell'elettrone che la velocità di commutazione. "Possiamo usare terahertz per controllare gli spin, " Ni dice di questo sistema, che è anche un regime di competenza per il laboratorio Wu. "Terahertz è molto più veloce di gigahertz, e per gli spin antiferromagnetici è possibile utilizzare i terahertz per controllare il passaggio ultraveloce da uno stato all'altro".

"I materiali antiferromagnetici offrono nuove entusiasmanti opportunità per la creazione di dispositivi spintronici più veloci per l'elaborazione delle informazioni, nonché nuovi modi per la generazione efficiente di radiazioni terahertz, che è la parte dello spettro elettromagnetico per le comunicazioni wireless oltre il 5G, "dice Joe Qiu, responsabile del programma per l'elettronica a stato solido e l'elettromagnetismo presso l'Ufficio ricerche dell'esercito, che ha finanziato questo studio. "Tutte queste sono tecnologie importanti per i futuri sistemi elettronici dell'esercito".