Cambiare le proprietà magnetiche con l'elettricità
Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e del PSI hanno dimostrato che le proprietà magnetiche di alcuni materiali possono essere modificate in modo estremamente rapido. Ciò fa sperare che in futuro si possano produrre dischi rigidi ultraveloci con questi materiali.
Di norma, c'è un solo modo per rendere magnetico un oggetto adatto: esporlo a un campo magnetico esterno. Tuttavia, con una speciale classe di materiali, i multiferroici, esiste una seconda possibilità: le loro proprietà magnetiche possono essere influenzate anche direttamente dall'applicazione di una tensione elettrica. I multiferroici sono attualmente oggetto di intense ricerche in fisica. Ciò ha anche a che fare con il fatto che un giorno potrebbero essere utilizzati come supporti di memorizzazione per i computer. Mentre attualmente i dati vengono scritti su un disco rigido del computer utilizzando una testina magnetica a movimento meccanico, in futuro i dischi rigidi multiferroici potrebbero essere scritti elettricamente molto più velocemente.
Tuttavia, la strada da percorrere per raggiungere questo obiettivo è ancora lunga. Le proprietà fisiche di base di questa classe relativamente nuova di materiali sono ancora in fase di studio. Inoltre, non è mai stato dimostrato sperimentalmente che l'ordine magnetico dei multiferroici possa essere modificato abbastanza velocemente da competere con gli attuali hard disk. "Il cambiamento più veloce misurato finora con la tensione elettrica è dell'ordine dei millesimi di secondo", spiega Teresa Kubacka, dottoranda del gruppo del professor Steven Johnson dell'ETH. In confronto, i dati possono già essere memorizzati un milione di volte più velocemente su un disco rigido utilizzando una testina magnetica.
In un team di ricerca internazionale guidato da scienziati dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI), Kubacka ha ora trovato la prova sperimentale che i momenti magnetici dei multiferroici possono anche reagire molto più velocemente alla tensione elettrica - in meno di un trilionesimo di secondo, cioè mille volte più velocemente di quanto i dati possano essere scritti su un disco rigido oggi.
I momenti magnetici ruotano facilmente
In particolare, gli scienziati hanno studiato il materiale terbio manganite, le cui proprietà multiferroiche sono state scoperte solo una decina di anni fa e che da allora è stato utilizzato dalla fisica come materiale modello per la ricerca di queste proprietà. Con misure effettuate con un laser a elettroni liberi a raggi X (vedi riquadro) a Stanford, in California, i ricercatori svizzeri hanno dimostrato che i momenti magnetici in un cristallo di questo materiale, grande diversi millimetri, cambiano direzione entro 200 femtosecondi dopo una certa eccitazione elettrica. "Sebbene altri scienziati abbiano già studiato i multiferroici, questa è la prima volta che i momenti magnetici reagiscono così rapidamente a una variazione del campo elettrico in un esperimento", spiega Kubacka.
I momenti magnetici della manganite di terbio non hanno ruotato completamente di 180 gradi nell'esperimento, come sarebbe interessante per potenziali applicazioni, ma "solo" di 4 gradi. Tuttavia, per i campi elettrici utilizzati per eccitare il materiale nell'esperimento, ciò corrisponde alle previsioni fatte in precedenza da un gruppo di fisici teorici giapponesi. I ricercatori dell'ETH e del PSI hanno quindi parzialmente confermato questa teoria nell'esperimento. Questa teoria prevede anche che sia possibile invertire completamente la direzione dei momenti magnetici - di 180 gradi - con campi elettrici sufficientemente forti. Tuttavia, oggi non è possibile generare campi elettrici così forti in nessuna struttura di ricerca, il che significa che questa previsione non può essere verificata al momento. Tuttavia, secondo Kubacka, i risultati fanno ben sperare. "Dal punto di vista odierno, almeno non sembra impossibile che i momenti magnetici dei materiali multiferroici possano un giorno essere completamente invertiti in modo ultraveloce", afferma l'esperta.
Raffreddamento richiesto
Tuttavia, applicazioni come quelle per l'archiviazione dei dati sono difficilmente realizzabili con il materiale modello terbio manganite, spiega il ricercatore. Questo perché mostra le sue proprietà multiferroiche solo a temperature inferiori a 246 gradi Celsius. Nei loro esperimenti, i ricercatori sono riusciti a raffreddare il materiale a queste basse temperature. Tuttavia, è probabile che i materiali multiferroici che mostrano queste proprietà anche a temperatura ambiente presentino dei vantaggi per un uso diffuso. Almeno uno di questi materiali è già noto.
Visualizzazione di processi veloci ad alta risoluzione
Un laser a elettroni liberi (FEL) a raggi X è una sorgente di radiazioni che può essere utilizzata per generare raggi X di sincrotrone con proprietà laser. Poiché la radiazione X di sincrotrone è a onde molto corte, può essere utilizzata per visualizzare le strutture più fini delle dimensioni di un atomo. Tuttavia, i classici raggi X di sincrotrone possono essere generati solo con impulsi relativamente lunghi. Con la tecnologia laser, invece, è possibile generare impulsi di luce estremamente brevi, mentre i laser ottici hanno lo svantaggio di generare luce a lunga lunghezza d'onda. Il FEL combina i vantaggi dei raggi X di sincrotrone con quelli dei laser. Ciò consente di visualizzare processi ultraveloci con un'elevata risoluzione spaziale e temporale (dieci quadrilionesimi di secondo).
I FEL sono strutture di ricerca su larga scala, di cui attualmente esistono solo quattro al mondo. Il più grande di questi si trova all'Università di Stanford, negli Stati Uniti, dove è stata condotta la ricerca in questione. Umwelt und Geomatik è attualmente in costruzione. pagina esternaSwissFEL presso l'Istituto Paul Scherrer di Würenlingen, nel cantone di Argovia, entrerà in funzione nel 2016 e consentirà di effettuare misure con una risoluzione spaziale e temporale simile.
Letteratura di riferimento
Kubacka T et al: Dinamiche di spin di grande ampiezza guidate da un impulso THz in risonanza con un elettromagnete. Science, pre-pubblicazione online 6 marzo 2014, doi: pagina esterna10.1126/science.1242862