Un team di ricercatori ha scoperto che lo ioduro di nichel presenta un eccezionale accoppiamento magnetoelettrico, rendendolo particolarmente adatto all’uso in tecnologie ad alta velocità e a basso consumo energetico, come le memorie magnetiche e l’informatica quantistica.
Lo ioduro di nichel rivoluzionerà la tecnologia
Il materiale multiferroico stratificato ioduro di nichel potrebbe essere il miglior candidato finora per dispositivi come la memoria magnetica per computer, estremamente veloci e compatti.
Per decenni, gli scienziati hanno studiato un gruppo di materiali insoliti chiamati multiferroici che potrebbero essere utili per una serie di applicazioni, tra cui la memoria dei computer, i sensori chimici e i computer quantistici.
In uno studio pubblicato su Nature, i ricercatori dell’Università del Texas ad Austin e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) hanno dimostrato che il materiale multiferroico stratificato ioduro di nichel (NiI 2 ) potrebbe essere il miglior candidato finora per dispositivi estremamente veloci e compatti.
Lo studio
I multiferroici hanno una proprietà speciale chiamata accoppiamento magnetoelettrico, il che significa che è possibile manipolare le proprietà magnetiche del materiale con un campo elettrico e viceversa, le proprietà elettriche con i campi magnetici.
I ricercatori hanno scoperto che lo ioduro di nichel ha un accoppiamento magnetoelettrico maggiore di qualsiasi materiale noto del suo genere, il che lo rende un candidato primario per i progressi tecnologici.
“Svelare questi effetti su scala di scaglie di ioduro di nichel atomicamente sottili è stata una sfida formidabile“, ha affermato Frank Gao, ricercatore in fisica presso l’UT e coautore principale dello studio: “Ma il nostro successo rappresenta un significativo progresso nel campo dei multiferroici”.
“La nostra scoperta apre la strada a dispositivi magnetoelettrici estremamente rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico, tra cui le memorie magnetiche“, ha aggiunto il ricercatore Xinyue Peng, un altro coautore principale del progetto.
I campi elettrici e magnetici sono fondamentali per la nostra comprensione del mondo e per le tecnologie moderne. All’interno di un materiale, le cariche elettriche e i momenti magnetici atomici possono ordinarsi in modo tale che le loro proprietà si sommino, formando una polarizzazione elettrica o una magnetizzazione. Tali materiali sono noti come ferroelettrici o ferromagneti, a seconda di quale di queste quantità si trovi in uno stato ordinato.
Nei materiali esotici che sono multiferroici, tali ordini elettrici e magnetici coesistono. Gli ordini magnetici ed elettrici possono essere aggrovigliati in modo tale che un cambiamento in uno provoca un cambiamento nell’altro. Questa proprietà, nota come accoppiamento magnetoelettrico, rende questi materiali candidati interessanti per dispositivi più rapidi, più piccoli e più efficienti.
Affinché tali dispositivi funzionino in modo efficace, è importante trovare materiali con un accoppiamento magnetoelettrico particolarmente forte, come il team di ricerca ha intenzione di fare con lo ioduro di nichel.
I ricercatori hanno ottenuto questo risultato eccitando il materiale con impulsi laser ultrabrevi nell’ordine dei femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo) e poi monitorando i cambiamenti risultanti negli ordini elettrici e magnetici del materiale e nell’accoppiamento magnetoelettrico attraverso il loro impatto su specifiche proprietà ottiche.
Per comprendere perché l’accoppiamento magnetoelettrico è così tanto più forte nello ioduro di nichel rispetto a materiali simili, il team ha eseguito calcoli approfonditi.
“Due fattori svolgono un ruolo importante qui“, ha affermato il coautore Emil Viñas Boström del MPSD: “Uno di questi è il forte accoppiamento tra lo spin degli elettroni e il moto orbitale sugli atomi di iodio, un effetto relativistico noto come accoppiamento spin-orbita”.
“Il secondo fattore è la forma particolare dell’ordine magnetico nello ioduro di nichel, noto come spirale di spin o elica di spin. Questo ordinamento è fondamentale sia per avviare l’ordine ferroelettrico sia per la forza dell’accoppiamento magnetoelettrico“.
Conclusioni
Materiali come lo ioduro di nichel con grande accoppiamento magnetoelettrico hanno un’ampia gamma di potenziali applicazioni, secondo i ricercatori. Tra queste rientrano la memoria magnetica per computer compatta, efficiente dal punto di vista energetico e che può essere archiviata e recuperata molto più velocemente della memoria esistente; interconnessioni in piattaforme di calcolo quantistico; e sensori chimici che possono garantire il controllo di qualità e la sicurezza dei farmaci nelle industrie chimiche e farmaceutiche.
I ricercatori sperano che queste intuizioni rivoluzionarie possano essere utilizzate per identificare altri materiali con proprietà magnetoelettriche simili e che altre tecniche di ingegneria dei materiali possano eventualmente portare a un ulteriore miglioramento dell’accoppiamento magnetoelettrico con lo ioduro di nichel.
