Il laser rivela il magnetismo nascosto nei metalli di tutti i giorni

Il mondo della tecnologia sta avanzando rapidamente, con i ricercatori che fanno scoperte ogni giorno. Solo la scorsa settimana, gli scienziati hanno pubblicato il loro lavoro, che ha risolto un vecchio mistero della fisica.

Condotto da ricercatori dell’Università ebraica in collaborazione con la Pennsylvania State University e l’Università di Manchester, lo studio ha rilevato deboli segnali magnetici in metalli che normalmente non sono magnetici, usando solo luce e un metodo laser modificato.

Questi deboli effetti magnetici, più simili a “sussurri”, nei materiali non magnetici erano precedentemente non rilevabili per ragioni ovvie; erano semplicemente troppo piccoli. Ma ora, le cose sono cambiate. Questi effetti sono misurabili, rivelando nuovi schemi di comportamento degli elettroni che erano nascosti fino a questo studio.

Con questa scoperta, gli scienziati hanno completamente trasformato come indaghiamo il magnetismo nei materiali di tutti i giorni, senza fili o strumenti ingombranti. Questo potrebbe persino aprire nuove strade verso la memorizzazione, il calcolo quantistico, e dispositivi più piccoli, più veloci e più avanzati.

Svelare la risposta magnetica sottile nei metalli ‘silenziosi’

Pubblicato nella rivista Nature Communications¹, lo studio descrive un nuovo modo per identificare minuscoli segnali magnetici nei metalli come oro (Au), rame (Cu), alluminio (Al), tantalio (Ta) e platino (Pt).

Il punto è che sappiamo da tempo che le correnti elettriche si curvano in un campo magnetico, che è l’effetto Hall. Questo effetto è particolarmente forte e noto nei materiali magnetici come ferro, ma quando si tratta di metalli comuni non magnetici come l’oro, l’effetto è piuttosto debole.

L’effetto Hall ottico (OHE), un fenomeno correlato, dovrebbe aiutare a visualizzare il comportamento degli elettroni quando luce e campi magnetici interagiscono. 

Ma è solo teoria, poiché a lunghezze d’onda visibili l’effetto OHE è troppo sottile per gli scienziati da rilevare. Quindi, mentre noi sappiamo che l’effetto è presente, ci mancano gli strumenti per misurarlo realmente.

“Era come cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa per decenni. Tutti sapevano che il sussurro c’era, ma non avevamo un microfono sufficientemente sensibile per sentirlo.”

– Professor Amir Capua dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Fisica Applicata dell’Università ebraica

Come ha spiegato il Prof. Capua, questi metalli, come rame e oro, sono considerati “magneticamente ‘silenziosi’”. Per esempio, questi materiali, oro e rame, non si attaccano al frigorifero come fa il ferro. “Ma in realtà, nelle condizioni giuste, rispondono ai campi magnetici—solo in modi estremamente sottili,” ha aggiunto. Ed è sempre stata una sfida osservare questi deboli effetti.

Quindi, in collaborazione con altre università, i ricercatori hanno continuato a investigare proprio come rilevare questi davvero piccoli effetti magnetici in materiali non magnetici. 

Per questo, hanno ricorso a una tecnica chiamata effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) e l’hanno migliorata. Con il metodo MOKE, un laser è usato per misurare come il magnetismo influisce sulla direzione della luce.

Lo studio osserva che, poiché l’effetto Hall anomalo (AHE) osservato nei ferromagneti (materiali come ferro, nichel o cobalto con allineamento parallelo a lungo raggio dei momenti atomici che genera una magnetizzazione netta spontanea) è molto più forte dell’effetto Hall ordinario (OHE), l’effetto Hall ottico è molto più debole dell’effetto Kerr magneto-ottico (MOKE). È così debole che difficilmente può essere rilevato nella luce visibile.

Da qui il motivo per modificare la tecnica MOKE. I ricercatori hanno presentato la tecnica MOKE, basata sulla modulazione ad ampiezza elevata del campo magnetico applicato esternamente. Per questo, hanno usato magneti permanenti posti su un disco rotante.

I ricercatori hanno combinato ciò con un laser blu da 440 nm, il che ha permesso loro di aumentare significativamente la sensibilità della tecnica. Di conseguenza, sono stati in grado di rilevare gli “echi” magnetici nei metalli non magnetici, che erano precedentemente quasi impossibili da ottenere. Lo studio ha osservato:

“La superiore sensibilità della tecnica apre la strada alla scoperta di nuovi fenomeni e applicazioni, come la determinazione ottica dell’interazione spin-orbita.” 

Eco Ottico Rivela Segnali Magnetici Nascosti nei Metalli

Le misurazioni Hall sono una tecnica chiave nella ricerca sui materiali e nella fisica dello stato solido. L’effetto Hall ci permette di studiare i materiali a livello atomico e scoprire quanti elettroni sono in un metallo. È fondamentale per colmare il divario tra ricerca fondamentale e applicazioni pratiche.

Tuttavia, misurare l’effetto è tradizionalmente un processo difficile e dispendioso in termini di tempo, specialmente quando si lavora con componenti davvero piccoli, su scala nanometrica. Per questo, gli scienziati hanno dovuto prima collegare fili al dispositivo, ma non più.

Il nuovo approccio è molto semplice; richiede solo un laser da proiettare sul dispositivo elettrico.

Come ha osservato il Prof. Capua, anche Edwin Hall, che scoprì l’effetto Hall, non ebbe successo quando provò a misurare l’effetto usando un fascio di luce. Come Hall riassunse nella frase finale del suo articolo del 1881:

“Penso che, se l’azione dell’argento fosse stata un decimo di quella del ferro, l’effetto sarebbe stato rilevato. Nessun tale effetto è stato osservato.” 

Ma nella ricerca più recente, gli scienziati hanno effettivamente osservato l’effetto “sintonizzandosi sulla frequenza giusta—e sapendo dove guardare,” ha detto il Prof. Capua. 

Con ciò, il team ha “trovato un modo per misurare ciò che una volta si pensava fosse invisibile,” ha aggiunto il Prof. Capua, “Questa ricerca trasforma un problema scientifico di quasi 150 anni in una nuova opportunità.”

Andando ancora più in profondità, il team ha scoperto che quello che sembrava un ‘rumore’ casuale nel loro segnale non era affatto casuale, ma aveva un chiaro significato e schema. 

Il modello seguito era correlato al accoppiamento spin-orbita (SOC). Questa proprietà quantistica collega come gli elettroni si muovono a come essi ruotano, il che influisce sul modo in cui l’energia magnetica si dissipa nei materiali. 

Le nuove intuizioni acquisite hanno implicazioni dirette e significative per la progettazione di dispositivi spintronici, memorie magnetiche e sistemi quantistici.

“È come scoprire che il fruscio su una radio non è solo interferenza—è qualcuno che sussurra informazioni preziose. Ora usiamo la luce per ‘ascoltare’ questi messaggi nascosti dagli elettroni.”

– Dottorando Nadav Am Shalom dell’Università ebraica

La nuova tecnica offre in realtà uno strumento non invasivo, altamente sensibile per esplorare il magnetismo nei metalli, senza richiedere magneti massicci o condizioni criogeniche. 

La semplicità e la precisione della tecnica potrebbero anche aiutare gli ingegneri a costruire sistemi più efficienti dal punto di vista energetico, processori più veloci e sensori con elevata accuratezza.

Ma questo è solo l’inizio, con lo studio che parla di ampliare lo spettro dei materiali in lavori futuri. Ciò include metalli aggiuntivi, film multistrato, semiconduttori e materiali topologici e 2D. 

Inoltre, una “misurazione dipendente dalla temperatura è di particolare interesse, poiché potrebbe offrire una comprensione chiave dei meccanismi di rumore e supportare una comprensione più profonda della loro origine,” ha dichiarato lo studio.

Clicca qui per scoprire come i laser possono trasformare i materiali non magnetici in magnetici.

Espandere l’Effetto Hall con Nuove Possibilità

Nel corso dell’ultimo anno, i ricercatori hanno continuato a studiare le tecniche dell’effetto Hall, spingendo i confini di ciò che è possibile. Basandosi sulle classiche misurazioni elettriche dell’effetto Hall, gli scienziati stanno scoprendo nuovi regimi, segnalando un cambiamento trasformativo. 

Questo include la scoperta² di effetti Hall non lineari significativi (NLHE) a temperatura ambiente nel tellurio (Te). L’effetto è una risposta di secondo ordine a una corrente alternata (AC) applicata che genera segnali di seconda armonica senza necessità di un campo magnetico esterno. 

NLHE, un nuovo membro della famiglia dell’effetto Hall, ha ricevuto molta attenzione a causa del suo possibile utilizzo in dispositivi di raddoppio di frequenza e di rettifica. Sfide come le basse temperature operative e le basse uscite di tensione Hall, tuttavia, hanno limitato le sue applicazioni pratiche. 

Quindi, un team di ricerca dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha cercato sistemi che mostrino notevoli NLHE nei materiali semiconduttori. Hanno poi esaminato la risposta non lineare del tellurio, un elemento fragile e raro che ha una catena elicoidale unidimensionale. La sua struttura manca intrinsecamente di simmetria di inversione, il che rende il Te il candidato perfetto.

Quando hanno testato sottili scaglie di tellurio (Te), hanno scoperto considerevoli effetti Hall non lineari a temperatura ambiente. A una temperatura di 300 K, l’output di seconda armonica massimo può raggiungere un ordine di grandezza più alto rispetto ai record precedenti, fino a 2,8 mV.

Analizzando più a fondo, l’NLHE osservato nelle sottili scaglie di tellurio è stato trovato essere principalmente il risultato di scattering estrinseco. Qui, la rottura della simmetria superficiale della struttura ha giocato un ruolo cruciale.

Basandosi su ciò, la corrente AC è stata sostituita da segnali a radiofrequenza (RF) che hanno realizzato una rettificazione RF wireless nelle sottili scaglie di Te e hanno ottenuto una tensione rettificata stabile su un intervallo da 0,3 a 4,5 GHz. In questo modo, lo studio apre nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati.

Recentemente, ricercatori dell’Università del New South Wales si sono concentrati sugli stati di volume dei isolanti topologici, Bi2Se3 e Sb2Te3, e hanno scoperto³ che la coppia di Hall orbitale domina la coppia di Hall spin per una conversione efficiente della corrente di carica in corrente di spin.

Gli stati di volume generano un OHE considerevole, fino a 3 ordini di grandezza più grande del SHE, negli isolanti topologici, in parte a causa del momento angolare orbitale di ciascun elettrone di conduzione che è più grande del suo spin. 

È stato anche osservato che ottimizzare la conversione orbitale‑spin nei dispositivi di coppia di spin dei TI (isolanti topologici) è fondamentale per avere un controllo più efficiente sulla magnetizzazione, ma ciò richiederà tecniche avanzate e ferromagneti specifici. 

Nel frattempo, ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg hanno mostrato⁴ un uso efficiente della conduttività Hall orbitale migliorata degli strati di Cr, Nb e Ru insieme a uno strato ferromagnetico magnetizzato perpendicolarmente per dispositivi di Memoria Magnetica ad Accesso Casuale a Spin-Orbit Torque (SOT) MRAM. 

I dispositivi SOT-MRAM promettono migliori prestazioni, non volatilità e efficienza energetica rispetto alla RAM statica. Per ottenere una lunga conservazione dei dati e un efficiente commutazione della magnetizzazione in questi dispositivi, abbiamo bisogno di ferromagneti con anisotropia magnetica perpendicolare (PMA) combinati con grandi coppie aumentate dall’Effetto Hall Orbitale (OHE). 

Quindi, il team ha progettato un FM PMA (Co/Ni)3 su strati OHE selezionati e ha investigato il potenziale della conduttività Hall orbitale (OHC).

I risultati mostrano un miglioramento del 30% nell’efficienza della coppia e una riduzione del 60% della potenza di commutazione, evidenziando il “potenziale promettente di sfruttare l’effetto Hall orbitale migliorato per potenziare le prestazioni della prossima generazione di dispositivi SOT MRAM per applicazioni di memoria cache ad alta densità.”