Grazie agli esperimenti presso la Swiss Light Source SLS, i ricercatori hanno dimostrato l’esistenza dell‘altermagnetismo. La scoperta sperimentale di questo nuovo ramo del magnetismo è riportata su Nature e significa una nuova fisica fondamentale, con importanti implicazioni per la spintronica.
Che cos’è l’altermagnetismo?
Il magnetismo è molto più di un oggetto che si attacca al frigorifero. Questa comprensione è arrivata con la scoperta degli antiferromagneti quasi un secolo fa. Da allora la famiglia dei materiali magnetici si divide in due fasi fondamentali: il ramo ferromagnetico conosciuto da diversi millenni e il ramo antiferromagnetico.
La prova sperimentale di un terzo ramo del magnetismo, chiamato altermagnetismo, è stata effettuata presso la Swiss Light Source SLS, da una collaborazione internazionale guidata dall’Accademia ceca delle scienze insieme all’Istituto Paul Scherrer PSI.
Le fasi magnetiche fondamentali sono definite dalle specifiche disposizioni spontanee dei momenti magnetici, o spin degli elettroni, e degli atomi che trasportano i momenti nei cristalli.
I ferromagneti sono quel tipo di magneti che si attaccano al frigorifero: qui le rotazioni puntano nella stessa direzione, conferendo magnetismo macroscopico. Nei materiali antiferromagnetici, gli spin puntano in direzioni alternate, con il risultato che i materiali non possiedono alcuna magnetizzazione netta macroscopica e quindi non si attaccano al frigorifero.
Sebbene siano stati classificati altri tipi di magnetismo, come il diamagnetismo e il paramagnetismo, questi descrivono risposte specifiche a campi magnetici applicati esternamente piuttosto che ordinamenti magnetici spontanei nei materiali.
Gli altermagneti hanno una combinazione speciale della disposizione degli spin e delle simmetrie dei cristalli. Gli spin si alternano, come negli antiferromagneti, con conseguente assenza di magnetizzazione netta.
Invece di annullarsi semplicemente, tuttavia le simmetrie danno vita ad una struttura di bande elettroniche con una forte polarizzazione di spin che cambia direzione mentre si attraversano le bande di energia del materiale, da qui il nome altermagnetismo. Questo si traduce in proprietà molto utili più simili ai ferromagneti, nonché alcune proprietà completamente nuove.
I vantaggi dell’altermagnetismo
L’altermagnetismo offre vantaggi distinti per il campo di sviluppo della tecnologia della memoria magnetica di prossima generazione, nota come spintronica. Mentre l’elettronica sfrutta solo la carica degli elettroni, la spintronica sfrutta anche lo stato di spin degli elettroni per trasportare informazioni.
Anche se la spintronica promette da anni di rivoluzionare l’IT, è ancora agli inizi. Tipicamente, per tali dispositivi sono stati utilizzati ferromagneti, poiché offrono alcuni fenomeni fisici dipendenti dallo spin altamente desiderabili.
La magnetizzazione macroscopica della rete, utile in tante altre applicazioni, pone tuttavia limitazioni pratiche alla scalabilità di questi dispositivi poiché provoca diafonia tra i bit, gli elementi che trasportano le informazioni nell’archiviazione dei dati.
Più recentemente, gli antiferromagneti sono stati studiati per la spintronica, poiché traggono vantaggio dall’assenza di magnetizzazione netta e quindi offrono ultra-scalabilità ed efficienza energetica. Tuttavia, mancano i forti effetti dipendenti dallo spin che sono così utili nei ferromagneti, il che ostacola ancora una volta la loro applicabilità pratica.
Qui entra in gioco l’altermagnetismo con il meglio di entrambi: magnetizzazione netta zero insieme agli ambiti fenomeni forti dipendenti dallo spin tipicamente riscontrati nei ferromagneti, pregi che erano considerati principalmente incompatibili.
“Questa è la magia dell’ altermagnetismo“, ha affermato Tomáš Jungwirth dell’Istituto di fisica dell’Accademia ceca delle scienze, ricercatore principale dello studio: “Qualcosa che la gente credeva fosse impossibile finché recenti previsioni teoriche lo hanno dimostrato ed è in realtà possibile”.
Quando è iniziata la ricerca dell’altermagnetismo?
Le voci che l’altermagnetismo fosse in agguato sono iniziate non molto tempo fa: nel 2019 Jungwirth, insieme ai colleghi teorici dell’Accademia ceca delle scienze e dell’Università di Magonza, ha identificato una classe di materiali magnetici con una struttura di spin che non rientrava nelle descrizioni classiche di ferromagnetismo o antiferromagnetismo.
Nel 2022, i teorici hanno pubblicato le loro previsioni sull’esistenza dell’altermagnetismo: hanno scoperto più di duecento candidati altermagnetici in materiali che vanno da isolanti e semiconduttori, a metalli e superconduttori. Molti di questi materiali sono stati ben conosciuti e ampiamente esplorati in passato, senza che si notasse la loro natura altermagnetica. A causa delle enormi opportunità di ricerca e applicazione che l’altermagnetismo pone, queste previsioni hanno suscitato grande entusiasmo all’interno della comunità.
Per ottenere una prova sperimentale diretta dell’esistenza dell’altermagnetismo è stato necessario dimostrare le caratteristiche uniche di simmetria di spin previste negli altermagneti. La prova è arrivata utilizzando la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo presso la SIS (stazione terminale COPHEE) e le linee di luce ADRESS dell’SLS.
Questa tecnica ha permesso al team di visualizzare una caratteristica rivelatrice nella struttura elettronica di un presunto altermagnete: la divisione delle bande elettroniche corrispondenti a diversi stati di spin, nota come rimozione della degenerazione dello spin di Kramers.
La scoperta è stata fatta in cristalli di tellururo di manganese, un noto materiale semplice a due elementi. Tradizionalmente, il materiale è stato considerato un classico antiferromagnete perché i momenti magnetici sugli atomi di manganese vicini puntano in direzioni opposte, generando una magnetizzazione netta evanescente.
Gli antiferromagneti tuttavia non dovrebbero mostrare una degenerazione dello spin di Kramer sollevata dall’ordine magnetico, mentre i ferromagneti o gli altermagneti dovrebbero. Quando gli scienziati hanno visto la scomparsa della degenerazione dello spin di Kramer, accompagnata dalla scomparsa della magnetizzazione della rete, hanno capito che si trattava di un altermagnete.
“Grazie all’elevata precisione e sensibilità delle nostre misurazioni, abbiamo potuto rilevare la caratteristica suddivisione alternata dei livelli energetici corrispondenti a stati di spin opposti e quindi dimostrare che il tellururo di manganese non è né un antiferromagnete convenzionale né un ferromagnete convenzionale ma appartiene al nuovo ramo altermagnetico di materiali magnetici“, ha spiegato Juraj Krempasky, scienziato delle linee di luce del Beamline Optics Group del PSI e primo autore dello studio.
Le linee di luce che hanno consentito questa scoperta sono ora smontate, in attesa dell’aggiornamento SLS 2.0. Dopo vent’anni di successi scientifici, la stazione finale COPHEE sarà completamente integrata nella nuova linea di luce “QUEST”.
“È stato con gli ultimi fotoni di luce al COPHEE che abbiamo fatto questi esperimenti. Il fatto che abbiano dato una svolta scientifica così importante è per noi molto emozionante“, ha aggiunto Krempasky.
I ricercatori ritengono che la scoperta fondamentale dell’altermagnetismo arricchirà la nostra comprensione della fisica della materia condensata, con un impatto in diverse aree della ricerca e della tecnologia. Oltre ai vantaggi per il campo in via di sviluppo della spintronica, l’altermagnetismo offre anche una piattaforma promettente per esplorare la superconduttività non convenzionale, attraverso nuove conoscenze sugli stati superconduttori che possono formarsi in diversi materiali magnetici.
“L’altermagnetismo in realtà non è qualcosa di estremamente complicato. È qualcosa di assolutamente fondamentale che è stato davanti ai nostri occhi per decenni senza che ce ne accorgessimo. E non è qualcosa che esiste solo in pochi materiali oscuri. Esiste in molti cristalli che le persone semplicemente avevano nei cassetti. In questo senso, ora che lo abbiamo portato alla luce, molte persone in tutto il mondo potranno lavorarci sopra, dandogli il potenziale per un ampio impatto“, ha concluso Jungwirth.
