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I ricercatori del PSI hanno osservato per la prima volta come minuscoli magneti in una disposizione speciale si allineino esclusivamente a causa delle variazioni di temperatura. Questa visione dei processi che hanno luogo all'interno del cosiddetto ghiaccio artificiale potrebbe svolgere un ruolo importante nello sviluppo di nuovi computer ad alte prestazioni. I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Nature Physics .
Quando l'acqua si congela per formare ghiaccio, le molecole d'acqua, con i loro atomi di idrogeno e di ossigeno, si dispongono in una struttura complessa. Acqua e ghiaccio sono fasi diverse e la trasformazione da acqua a ghiaccio è chiamata transizione di fase. In laboratorio si possono produrre cristalli in cui i momenti magnetici elementari, i cosiddetti spin, formano strutture paragonabili al ghiaccio. Ecco perché i ricercatori chiamano queste strutture anche ghiaccio di spin. "Abbiamo prodotto ghiaccio di spin artificiale, che consiste essenzialmente in nanomagneti così piccoli che il loro orientamento può cambiare solo a causa della temperatura", spiega il fisico Kevin Hofhuis, che ha appena completato la sua tesi di dottorato al PSI e ora lavora alla Yale University negli Stati Uniti.
Nel materiale utilizzato dai ricercatori, i nanomagneti sono disposti in strutture esagonali, un modello noto dall'arte giapponese della tessitura dei cesti con il nome di kagome. "Le transizioni di fase magnetiche erano state previste in teoria per il ghiaccio spinoso artificiale del kagome, ma non sono mai state osservate prima", afferma Laura Heyderman, capo del Laboratorio per esperimenti sui materiali multiscala al PSI e professore all'ETH di Zurigo. "Il rilevamento delle transizioni di fase è stato possibile solo ora grazie all'utilizzo di una litografia all'avanguardia per produrre il materiale nella camera bianca PSI e a uno speciale metodo di microscopia presso la Swiss Light Source SLS". La rivista Fisica della natura sta ora pubblicando i risultati di questi esperimenti.
Il trucco:minuscoli ponti magnetici
Per i loro campioni, i ricercatori hanno utilizzato un composto di nichel-ferro chiamato permalloy, che è stato rivestito come una pellicola sottile su un substrato di silicio. Hanno usato un processo di litografia per formare ripetutamente un piccolo modello esagonale di nanomagneti, con ogni nanomagnete lungo circa mezzo micrometro (milionesimo di metro) e largo un sesto di micrometro. Ma non è tutto. "Il trucco era che abbiamo collegato i nanomagneti con minuscoli ponti magnetici", afferma Hofhuis. "Ciò ha portato a piccoli cambiamenti nel sistema che ci hanno permesso di regolare la transizione di fase in modo tale da poterla osservare. Tuttavia, questi ponti dovevano essere davvero piccoli, perché non volevamo cambiare il sistema troppo."
Il fisico è ancora stupito che questa impresa sia effettivamente riuscita. Con la creazione dei nanoponti, stava spingendo contro i limiti della risoluzione spaziale tecnicamente possibile dei metodi di litografia odierni. Alcuni dei ponti sono larghi solo dieci nanometri (miliardesimi di metro). Gli ordini di grandezza in questo esperimento sono davvero impressionanti, dice Hofhuis:"Mentre le strutture più piccole sul nostro campione sono nell'intervallo dei nanometri, lo strumento per la loro rappresentazione, SLS, ha una circonferenza di quasi 300 metri". Heyderman aggiunge:"Le strutture che esaminiamo sono 30 miliardi di volte più piccole degli strumenti con cui le esaminiamo".
Microscopia e teoria
Alla linea di luce SIM di SLS, il team ha utilizzato un metodo speciale chiamato microscopia elettronica a fotoemissione che ha reso possibile osservare lo stato magnetico di ogni singolo nanomagnete nell'array. Sono stati attivamente supportati da Armin Kleibert, lo scienziato responsabile della SIM. "Siamo stati in grado di registrare un video che mostra come i nanomagneti interagiscono tra loro mentre cambiamo la temperatura", riassume Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.
"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.
Manipulating phase transitions
The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.
Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Esplora ulteriormente
