Una nuova, sorprendente magnetoresistenza
Chi siamo ha scoperto 150 anni fa l'effetto magnetoresistivo di William Thomson, poi diventato Lord Kelvin, che oggi viene utilizzato dai sensori per misurare la velocità delle ruote delle auto o per consentire la navigazione con la bussola e il controllo dei robot. Ora gli scienziati dei materiali dell'ETH hanno scoperto un nuovo tipo di magnetoresistenza che promette ulteriori approfondimenti nella ricerca di base e potrebbe un giorno avere anche applicazioni pratiche.
La scoperta di Pietro Gambardella, professore di magnetismo e fisica delle interfacce presso l'ETH di Zurigo, e del suo team è stata pubblicata solo di recente sulla rivista scientifica britannica "Nature Physics", ma la pre-pubblicazione del lavoro qualche mese fa su un portale scientifico aveva già suscitato scalpore nella comunità scientifica e motivato altri gruppi di ricerca a condurre esperimenti simili. Normalmente, la magnetoresistenza di un materiale conduttivo rimane invariata quando cambia la direzione della corrente elettrica. "Tuttavia, il nuovo effetto magnetoresistivo che abbiamo scoperto cambia quando il flusso di elettroni viene invertito", spiega Gambardella, "il che è molto insolito per i metalli", perché, in base ai principi fisici, tali processi microscopici dovrebbero essere indipendenti dal fatto che gli elettroni in un conduttore si muovano da sinistra a destra o da destra a sinistra.
La nuova scoperta è tanto più sorprendente in quanto il primo effetto magnetoresistivo è stato scoperto oltre 150 anni fa e, secondo l'esperto, le misure di resistenza sono "una delle cose più semplici che si possano fare". Oltre ai moderni strumenti per superconduttori e laser, il laboratorio dell'ETH di H?nggerberg dispone anche di alcuni elettromagneti di vecchia concezione. Pietro Gambardella ne ha salvato uno dal suo precedente posto di lavoro, l'EPFL, quando era pronto per essere smaltito all'esterno. Gli scienziati inseriscono nei magneti i campioni prodotti in laboratorio e ne misurano la resistenza elettrica a diverse magnetizzazioni.
Sensori e testine di lettura per dischi rigidi
La resistenza elettrica è una proprietà fondamentale dei materiali conduttivi. Indica la capacità di far passare una corrente elettrica attraverso un filo e dipende dalla magnetizzazione del materiale. Nel 1856 William Thomson, che in seguito ricevette il titolo nobiliare di Lord Kelvin, scoprì che la resistenza elettrica di una piastra di ferro cambia a seconda della direzione della sua magnetizzazione. Questo cosiddetto effetto magnetoresistivo anisotropo, o AMR in breve, è oggi utilizzato in una varietà di sensori. Nelle automobili, viene utilizzato per misurare la velocità delle ruote, la posizione dei pedali e dei sedili e per controllare il servosterzo. I sensori AMR si trovano nelle telecamere e sono utilizzati nell'industria meccanica e nella tecnologia medica. Anche su Marte, a bordo dei robot ci sono Chi siamo, con oltre 100 sensori AMR per controllare le parti in movimento.
I sensori AMR si basano su sottili strati magnetici in cui la resistenza varia di qualche punto percentuale quando la corrente viene immessa perpendicolarmente o parallelamente alla magnetizzazione. Il fisico francese Albert Fert e il suo collega tedesco Peter Grünberg hanno scoperto una differenza di resistenza molto maggiore, pari al 50%, in strutture a film sottile in cui si alternano strati di materiali magnetici e non magnetici. Per questo "Effetto Magnetoresistente Gigante", o GMR, i ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2007. Oggi l'effetto GMR è utilizzato, tra l'altro, nei sensori di campo magnetico e per la lettura dei dati sui dischi rigidi dei computer..
Ferromagnete su metallo pesante
Una struttura GMR è tipicamente costituita da due pellicole di materiale ferromagnetico, come ferro o cobalto, separate da una pellicola non magnetica di rame. Se la magnetizzazione dei film di ferro o cobalto è allineata in parallelo, la resistenza elettrica della struttura è bassa; se è allineata in modo antiparallelo, è alta. "Ci limitiamo a due anziché tre strati", spiega Pietro Gambardella. La struttura dei ricercatori del Fare ricerca all'ETH è costituita da un sottile film di un metallo pesante come il platino o il tantalio e da un secondo sottile strato di ferro o cobalto. "L'idea estremamente intelligente per questi esperimenti è venuta a uno dei nostri studenti, Can Onur Avci", spiega il professore dell'ETH.
Come previsto, i ricercatori hanno misurato il normale effetto AMR nei loro campioni a due strati, in cui la resistenza cambia a seconda della magnetizzazione del ferromagnete. Sorprendentemente, però, hanno trovato anche il nuovo effetto magnetoresistivo, in cui la resistenza dipende dalla direzione del flusso di elettroni. Lo strano comportamento dei campioni può essere spiegato dal momento magnetico degli elettroni, il cosiddetto spin. Nel metallo pesante, gli elettroni con spin opposti vengono deviati in direzioni diverse. Questo è il motivo per cui gli elettroni con la stessa direzione di magnetizzazione si accumulano all'interfaccia del platino o del tantalio. Se ora si pone uno strato di ferro o cobalto sul metallo pesante, la resistenza elettrica totale dipende da come gli spin accumulati e la magnetizzazione del materiale ferromagnetico sono allineati tra loro.
Piccolo effetto - grande speranza
La deviazione opposta di elettroni con spin opposti è chiamata effetto Hall di spin. Per questo motivo i ricercatori del Fare all'ETH hanno chiamato la magnetoresistenza appena scoperta, dipendente dalla direzione, "Magnetoresistenza di Spin Hall unidirezionale". Sebbene il fenomeno sia simile all'"Effetto magnetoresistivo gigante", spiega Pietro Gambardella, l'effetto appena scoperto non è solo una proprietà del materiale, ma è direttamente proporzionale alla quantità di corrente che viene convogliata nel materiale. Tuttavia, il ricercatore del Politecnico mette in guardia da aspettative esagerate: "Sebbene il nostro effetto sia molto interessante per la ricerca fondamentale, non può ancora essere applicato nella pratica": le differenze di resistenza sono troppo piccole per questo, con frazioni di un centesimo.
Tuttavia, un giorno potrebbe essere possibile produrre materiali personalizzati in cui utilizzare la nuova magnetoresistenza. I ricercatori pensano a semiconduttori o ai cosiddetti isolanti topologici, in cui gli elettroni si muovono all'interfaccia tra due componenti del materiale. Spintronica è il nome del campo di ricerca che è stato lanciato con la scoperta dell'effetto GMR e che potrebbe anche offrire potenziali applicazioni per la nuova magnetoresistenza. Non solo le cariche, ma anche gli spin sono utilizzati per memorizzare ed elaborare informazioni.
Letteratura di riferimento
Avci CO, Garello K, Ghosh A, Gabureac M, Alvarado S F, Gambardella P: Unidirectional spin Hall magnetoresistance in ferromagnet/normal metal bilayers, Nature Physics, 8 giugno 2015, doi: pagina esterna10.1038/nphys3356