Uno sguardo al futuro magnetico

Quando l'acqua congela in ghiaccio, le molecole d'acqua con i loro atomi di idrogeno e ossigeno si dispongono in una struttura complessa. L'acqua e il ghiaccio sono fasi diverse dello stesso materiale e la trasformazione da acqua a ghiaccio è chiamata transizione di fase. Oggi è possibile produrre in laboratorio cristalli in cui i momenti magnetici elementari, i cosiddetti spin, formano strutture paragonabili al ghiaccio. Per questo motivo i ricercatori si riferiscono a queste strutture come ghiaccio di spin.

"Abbiamo prodotto ghiaccio di spin artificiale, che consiste essenzialmente in nanomagneti. Questi sono così piccoli che il loro orientamento può cambiare solo in base alla temperatura", spiega l'autore principale Kevin Hofhuis, che ha appena completato la sua tesi di dottorato.

Nel materiale utilizzato, i nanomagneti sono disposti in strutture esagonali - un motivo noto nell'arte giapponese della tessitura di cesti con il nome di Kagome.

"Le transizioni di fase magnetiche sono state previste teoricamente nel ghiaccio di spin artificiale di Kagome, ma non sono mai state osservate prima d'ora", spiega Laura Heyderman, professoressa di sistemi mesoscopici all'ETH di Zurigo e responsabile del Laboratory for Multiscale Materials Experiments del PSI. L'individuazione delle transizioni di fase è stata ottenuta grazie a processi di litografia all'avanguardia per la produzione del materiale e a uno speciale metodo di microscopia presso la Swiss Light Source SLS del PSI. I risultati di questi esperimenti sono stati appena pubblicati sulla rivista Natura Fisica pubblicato.

Il trucco: piccoli ponti magnetici

Per i loro campioni, i ricercatori hanno utilizzato un composto di nichel e ferro applicato come film sottile su un substrato di silicio. Il piccolo schema esagonale dei nanomagneti è stato ripetutamente formato su questa superficie mediante un processo di litografia, con un nanomagnete lungo circa mezzo micrometro (milionesimo di metro) e largo un sesto di micrometro.

Ma non è tutto. "Il trucco consisteva nel collegare i nanomagneti con piccoli ponti magnetici", spiega Hofhuis. "Questo ha portato a piccoli cambiamenti nel sistema, che ci hanno permesso di sintonizzare la transizione di fase in modo tale da poterla osservare. Tuttavia, questi ponti dovevano essere molto piccoli perché non volevamo modificare troppo il sistema".

Il fisico è ancora stupito del successo di questa impresa. Nel creare i nano-ponti, ha raggiunto i limiti della risoluzione spaziale tecnicamente possibile con gli attuali metodi di litografia. Alcuni ponti hanno una dimensione di soli dieci nanometri.

Microscopia e teoria

Presso l'SLS, il team ha utilizzato uno speciale metodo di microscopia chiamato microscopia elettronica a fotoemissione, che consente di osservare lo stato magnetico di ogni singolo nanomagnete dell'array.

"Siamo riusciti a registrare un video che mostra come i nanomagneti interagiscono tra loro e questo esclusivamente in funzione della temperatura", spiega Hofhuis. Le immagini originali erano semplici contrasti in bianco e nero che cambiavano di volta in volta. Da queste immagini i ricercatori hanno potuto dedurre la configurazione degli spin, cioè l'orientamento dei momenti magnetici.

"Ma quando si guarda un video come questo, non si sa ancora in quale fase ci si trovi", spiega Hofhuis. Ciò ha richiesto considerazioni teoriche, alle quali ha contribuito Peter Derlet, fisico del PSI e professore titolare dell'ETH di Zurigo. Le sue simulazioni hanno mostrato cosa dovrebbe accadere teoricamente durante le transizioni di fase. Solo il confronto delle immagini registrate con queste simulazioni ha dimostrato che i processi osservati al microscopio erano effettivamente transizioni di fase.

Manipolazione delle transizioni di fase

Il nuovo studio rappresenta un altro successo nella ricerca sul ghiaccio di spin artificiale, che il gruppo di Laura Heyderman studia da oltre un decennio. "Il bello di questi materiali è che possiamo personalizzarli e vedere direttamente cosa succede al loro interno", spiega la fisica. "Possiamo osservare ogni sorta di comportamento affascinante, comprese le transizioni di fase e l'ordinamento che dipendono dalla disposizione dei nanomagneti. Questo non è possibile con i sistemi di spin nei cristalli convenzionali".

Anche se al momento queste ricerche sono ancora puramente di base, i ricercatori stanno già pensando a possibili applicazioni.

Il controllo di diverse fasi magnetiche potrebbe essere interessante per nuovi tipi di elaborazione dei dati. I ricercatori del PSI e di altri paesi stanno studiando come la complessità del ghiaccio di spin artificiale possa essere utilizzata per nuovi tipi di computer ad alta velocità e a basso consumo energetico. "Il modello è quello dell'elaborazione delle informazioni nel cervello e sfrutta il modo in cui il ghiaccio di spin artificiale reagisce a uno stimolo come un campo magnetico o una corrente elettrica", spiega Heyderman.

Questo testo di Barbara Vonarburg è apparso per la prima volta su PSI News.