Un team di ricerca internazionale, guidato dal Helmholtz Association of German Research Centres, ha sviluppato un metodo che facilita la produzione di nanomateriali magnetici particolarmente efficienti in un processo relativamente semplice basato su materie prime poco costose.
I ricercatori dell’Helmholtz Association of German Research Centres (HZDR) hanno collaborato con l’Università norvegese di scienza e tecnologia di Trondheim e l’Istituto di fisica nucleare dell’Accademia polacca delle Scienze per sviluppare un metodo che faciliti la produzione di nanomateriali magnetici particolarmente efficienti in un processo relativamente semplice basato su materie prime poco costose. Utilizzando un fascio di ioni altamente focalizzato, gli scienziati hanno impresso sui materiali nanostrisce magnetiche costituite da minuscoli nanomagneti allineati verticalmente, rendendo il materiale rende il materiale altamente sensibile ai campi magnetici esterni e agli impulsi di corrente. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials e riportata da Phys.org.
I nanomagneti svolgono un ruolo chiave nelle moderne tecnologie informatiche. Facilitano l’archiviazione rapida dei dati, la sensoristica magnetica precisa, nuovi sviluppi nella spintronica e, in futuro, l’informatica quantistica. Le basi di tutte queste applicazioni sono materiali funzionali con particolari strutture magnetiche che possono essere personalizzate su scala nanometrica e controllate con precisione. In passato, gli scienziati dell’HZDR avevano già sviluppato processi per imprimere ai materiali minuscole strutture magnetiche con geometrie variabili, poiché la natura delle rispettive nanostrutture magnetiche determina il comportamento del materiale nell’applicazione. Ora il team ha compiuto un passo avanti cruciale: “Siamo riusciti a produrre nanomagneti allineati verticalmente utilizzando un materiale relativamente semplice. Questo potrebbe rendere tutte le tecnologie che dipendono dai nanomagneti migliori e meno costose” riferisce Rantej Bali.
Nella maggior parte dei materiali, gli spin degli elettroni tendono a giacere orizzontalmente lungo la superficie e non puntare verso l’esterno. Questo ne limita fortemente le applicazioni. Ora i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che riducendo drasticamente l’entità dei campi magnetici, gli spin possono essere forzati a sporgere verticalmente dalla superficie del materiale.
Sebbene i metodi convenzionali ottengano un comportamento simile, richiedono materie prime con strutture cristalline complesse o combinano materiali diversi in strati sottili, rendendo questo metodo complicato e costoso. Questo nuovo sviluppo è piuttosto diverso: “Sia i materiali che la fabbricazione sono economici e adatti alla maggior parte degli scenari applicativi magnetici” spiega Bali.
A differenza dei tentativi precedenti, questa volta i ricercatori hanno ridotto la larghezza delle nanostrisce fino a ottenere campi magnetici estremamente sottili, di soli 25 nanometri. Contrariamente alle loro aspettative, hanno scoperto che le aree nanometriche nelle sottilissime strisce si distinguevano improvvisamente verticalmente dalla superficie.
I nanomagneti verticali sono migliori
I nanomagneti allineati verticalmente sono vantaggiosi per una serie di motivi. In primo luogo, possono essere alloggiati in modo molto più compatto. Questo aumenta la densità di archiviazione dei dati dei dischi rigidi, ad esempio, e supporta la tendenza verso componenti sempre più miniaturizzati. In secondo luogo, rendono i materiali più efficienti, ad esempio nella spintronica, che utilizza non solo la carica degli elettroni, ma anche il loro spin per il trasporto del segnale. Quando la corrente elettrica scorre attraverso il materiale, i momenti verticali esercitano una coppia maggiore sugli elettroni rispetto ai momenti paralleli. Anche i computer quantistici possono trarre vantaggio dai nanomagneti allineati verticalmente per distinguere tra i due possibili stati fondamentali di un qubit, che corrispondono a un allineamento magnetico verso l’alto o verso il basso, e per controllarli con elevata sensibilità.
Foto: Sander Münster
