Pareti settoriali in movimento su scala nanometrica

La maggior parte dei materiali magnetici ha una struttura un po' più complicata di un normale magnete da cucina: Non solo hanno un polo nord e un polo sud, ma sono costituiti da un gran numero di settori, spesso di dimensioni nanometriche, in ognuno dei quali l'asse magnetico punta in una direzione diversa. Questi settori sono noti come domini. Negli ultimi anni, Manfred Fiebig, professore di materiali ferrosi multifunzionali presso l'ETH di Zurigo, ha studiato le pareti di alcuni materiali in cui i domini sono adiacenti. "La vita interna di un materiale con i suoi domini è una cosa", dice Fiebig. "Ma cose molto interessanti accadono alle pareti di confine di questi domini".

Fiebig si è dedicato a una classe di materiali molto speciale: gli ossidi, in particolare quelli con le cosiddette proprietà multiferroiche. Si tratta di materiali cristallini che sono ordinati magneticamente (cioè hanno un polo nord e un polo sud magnetici), ma allo stesso tempo hanno anche un ordine elettrico (cioè la carica elettrica è distribuita nel materiale in modo tale da avere anche un polo elettrico più e meno oltre a quello magnetico).

"Poiché nei materiali multiferroici si uniscono un ordine magnetico e uno elettrico, è possibile anche un accoppiamento incrociato: ad esempio, è possibile cambiare lo stato magnetico con una tensione elettrica", spiega Fiebig. Queste proprietà rendono i materiali interessanti per molte applicazioni e sono il motivo principale per cui i multiferroici sono attualmente oggetto di ricerche così intense da parte degli scienziati.

Piccoli condensatori

Insieme ai colleghi ricercatori, Fiebig ha analizzato da vicino i confini dei domini in alcuni materiali multiferroici e ha recentemente pubblicato due articoli sull'argomento. Gli scienziati sono riusciti a dimostrare che la conducibilità elettrica delle pareti dei domini differisce da quella del materiale nel suo complesso. In un materiale, la manganite di stronzio, sono riusciti a dimostrare che le pareti di dominio sopprimono il flusso di corrente elettrica. "Un materiale con pareti non conduttive in un ambiente conduttivo può essere molto utile in elettronica", spiega Fiebig. Ad esempio, potrebbe essere utilizzato per produrre componenti elettronici in cui i domini di dimensioni nanometriche agiscono come minuscoli condensatori che possono essere caricati separatamente".

"Questo potrebbe essere usato per creare un nuovo supporto di memorizzazione basato sulla carica", dice Fiebig. Per cambiare la carica in un dominio, è sufficiente un impulso di tensione, non deve scorrere corrente. Un tale mezzo di immagazzinamento sarebbe più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a quello attuale. Inoltre, durante l'archiviazione dei dati non verrebbe generato calore che dovrebbe essere dissipato, motivo per cui tali supporti di memorizzazione potrebbero essere costruiti molto più piccoli.

L'articolo è stato scritto dagli scienziati del gruppo di Manfred Fiebig insieme a quelli del gruppo del professor Nicola Spaldin dell'ETH e dell'Università di Saragozza. Spaldin e i suoi collaboratori hanno contribuito alla spiegazione teorica del perché le pareti di dominio nella manganite di stronzio non conducono. Fiebig lo spiega così: i materiali cristallini non sono mai perfettamente strutturati. In alcuni punti del reticolo cristallino degli ossidi mancano singoli atomi di ossigeno. Gli scienziati sono ora riusciti a dimostrare che queste "lacune di ossigeno" si accumulano preferenzialmente ai confini del dominio e bloccano il flusso di corrente.

Modificare manualmente la conduttività

Studiando un secondo materiale multiferroico, la manganite di terbio, gli scienziati del gruppo di Fiebig, insieme a colleghi giapponesi, sono riusciti a dimostrare che anche i confini del dominio possono essere spostati con campi elettrici in determinate condizioni. "Questo è un vantaggio rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali, che hanno una struttura solida e cresciuta", spiega Fiebig. I ricercatori hanno anche trovato condizioni in cui la magnetizzazione dei domini e la conduttività dei confini dei domini possono essere modificate senza cambiare la posizione dei confini.

Un prerequisito per queste indagini è una tecnica che consenta di visualizzare i domini e i loro confini. Attualmente ciò è possibile solo utilizzando un metodo ottico specifico, il raddoppio di frequenza. Si tratta di irradiare il materiale con un fascio laser pulsato molto intenso di un colore specifico. In risposta, il materiale emette una luce di colore diverso, dalla quale gli scienziati possono ottenere informazioni sulla struttura magnetica ed elettrica del materiale. Negli ultimi anni, l'ETH Fiebig è stato il motore dello sviluppo di questo metodo ottico per analizzare l'ordine interno dei materiali.

Nuove possibilità tecniche

Il fatto che ora sia possibile non solo vedere le pareti del dominio in un multiferroico, ma anche spostarle in modo mirato o modificarne la conduttività, apre la porta a nuove possibilità tecniche. Le applicazioni concrete sono ancora lontane, sottolinea Fiebig. Tuttavia, le scoperte potrebbero in seguito confluire non solo nell'archiviazione dei dati, ma anche in sensori o componenti elettronici complessi. "Se si riesce a modificare la conduttività di un materiale, si ottiene un interruttore - nel nostro caso uno che si può controllare senza muovere nulla di meccanico e che quindi non è suscettibile alla fatica del materiale", afferma Fiebig, che sta già pensando al prossimo passo di sviluppo: Al momento, in Multiferroika è possibile cambiare uno stato magnetico con un campo elettrico. In futuro, potrebbe essere possibile rinunciare al campo elettrico e cambiare lo stato in modo puramente ottico. Ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando impulsi di luce intensa non solo per visualizzare la struttura interna, ma anche per cambiarla immediatamente.