Rete antiferromagnetica con senso di rotazione
Minuscole strutture magnetiche in uno strato ultrasottile di manganese mostrano un insolito senso di rotazione - ora i ricercatori di Kiel e Amburgo spiegano perché
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Un normale magnete da frigorifero è ferromagnetico: i piccoli momenti magnetici degli atomi puntano tutti nella stessa direzione. Le forze magnetiche di questi magneti possono quindi essere facilmente utilizzate, ad esempio in bussole, sensori o dispositivi di archiviazione dati.
Tuttavia, esistono anche materiali in cui i momenti magnetici degli atomi vicini sono allineati in direzioni opposte. Questi materiali sono chiamati antiferromagneti. Non formano un campo magnetico misurabile all'esterno e sono stati a lungo considerati difficili da utilizzare. Per questa scoperta il fisico francese Louis Néel ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1970.
Oggi questa classe di materiali è considerata promettente. Gli antiferromagneti potrebbero svolgere un ruolo centrale nella magnetoelettronica, un campo di ricerca che utilizza le correnti elettriche per manipolare e leggere gli stati magnetici. Allo stesso tempo, le reti magnetiche complesse offrono possibilità completamente nuove per computer nuovi e non convenzionali. Esse reagiscono con particolare forza alle correnti elettriche e possono formare strutture magnetiche tridimensionali in cui i momenti atomici puntano in diverse direzioni spaziali.
I ricercatori dell'Università di Kiel (CAU) e dell'Università di Amburgo hanno dimostrato su Nature Communications come si forma una complessa rete antiferromagnetica in uno strato ultrasottile di manganese. Nelle intersezioni delle pareti del dominio, i momenti magnetici atomici si orientano in una direzione di rotazione spaziale definita. Lo studio fornisce quindi una visione diretta delle strutture interne degli antiferromagneti e apre prospettive per nuovi componenti magnetici.
Le sfere blu scuro (blu chiaro) rappresentano gli atomi di manganese dello strato superiore (inferiore) del film. Le frecce mostrano l'orientamento delle "barre magnetiche atomiche" degli atomi di manganese. Il piano degli atomi negli strati superiore e inferiore è rappresentato da aree grigie trasparenti. L'orientamento dei "magneti atomici a barra" lungo gli assi di un tetraedro è mostrato dai tetraedri grigi. La magnetizzazione orbitale topologica (TOM) negli strati superiore e inferiore è allineata parallelamente l'una all'altra (vedi frecce piccole).
© Mara Gutzeit, Uni Kiel
Uno sguardo all'interno della rete di nanomagneti
Il team di ricerca ha studiato un sistema modello costituito da due soli strati di atomi di manganese depositati su un cristallo di iridio. Utilizzando la microscopia a scansione tunnellizzata spin-polarizzata, sono stati in grado di visualizzare l'allineamento magnetico degli atomi fino alla scala atomica.
Il responsabile del progetto, la dott.ssa Kirsten von Bergmann dell'Università di Amburgo, ha spiegato: "Nelle immagini della microscopia a scansione per tunnel è apparsa una complessa rete magnetica di pareti di dominio tra aree ordinate in modo antiferromagnetico. Abbiamo potuto constatare che è stata generata dalle bolle di argon impiantate. Nei punti di intersezione di tre pareti di dominio abbiamo riscontrato, da un lato, una maneggevolezza della struttura e, dall'altro, abbiamo scoperto che i "magneti atomici a barra" qui puntano nelle direzioni degli angoli di un tetraedro, cioè hanno un angolo di circa 109,47° tra loro".
Utilizzando complessi calcoli di meccanica quantistica, per i quali sono stati impiegati i supercomputer del National Supercomputing Centre (NHR), il team di Kiel ha dimostrato che lo strato superiore degli strati di manganese si sposta leggermente di lato a causa delle forze di scambio magnetico. "La tensione si accumula nei punti in cui si incontrano aree con orientamenti magnetici diversi. Questo può spiegare il senso di rotazione strutturale preferito (handedness) osservato nei punti di intersezione", spiega il professor Stefan Heinze dell'Università di Kiel. I ricercatori di Kiel hanno anche chiarito come si forma una struttura magnetica tridimensionale in questi punti e come i due strati di manganese sono accoppiati tra loro.
La ramificazione delle pareti del dominio non avviene in modo casuale in corrispondenza delle bolle di argon. La tensione locale del materiale favorisce un certo tipo di movimento di taglio magneticamente indotto del film. I calcoli mostrano anche che l'ordine magnetico tridimensionale in queste intersezioni ha proprietà speciali, cosiddette topologiche. Lo studio fornisce quindi la prova fondamentale che la stretta connessione tra struttura e magnetismo può essere utilizzata in modo mirato per creare reti antiferromagnetiche complesse.
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