L’uso dei laser per magnetizzare sostanze non magnetiche potrebbe trasformare i computer moderni

Il calcolo quantistico possiede un enorme potenziale. Potrebbe trasformare completamente le industrie e cambiare il modo in cui comprendiamo l’universo. Combinando i principi della meccanica quantistica con l’informatica, il calcolo quantistico consente di risolvere problemi complessi con facilità elaborando enormi quantità di dati in parallelo e esplorando molteplici soluzioni. 

In questo modo, i computer quantistici possono aiutare nella scoperta di farmaci, nella modellazione climatica, nel potenziamento delle capacità dell’IA e nella risoluzione di problemi di ottimizzazione. Hanno anche potenziale nella cybersicurezza, rompendo i metodi di crittografia esistenti e creando sistemi di crittografia quantistica infrangibili.

Negli anni, abbiamo compiuto notevoli progressi nel calcolo quantistico, inclusi la supremazia quantistica, i codici di correzione degli errori e i computer quantistici basati sul cloud. Tuttavia, questi progressi sono stati in gran parte limitati alle temperature estremamente basse dei laboratori, che potrebbero presto cambiare. 

Ora, i ricercatori del Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), una collaborazione tra i cinque paesi nordici, l’Università di Stoccolma e l’Università Ca’ Foscari di Venezia, hanno dimostrato con successo un comportamento quantistico a temperatura ambiente utilizzando la luce laser. Per la prima volta, la luce laser è stata in grado di rendere magnetici i materiali non magnetici.

È di massima importanza perché il magnetismo svolge un ruolo chiave nel funzionamento di un computer. La memoria del computer utilizza elettromagneti di piccola scala magnetizzati con tensione per abilitare gli stati binari di “acceso” o “spento”. Il modo in cui atomi ed elettroni reagiscono ai campi magnetici consente ai dispositivi elettronici di leggere, scrivere e manipolare i dati.

In questo nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato come l’esposizione di un materiale non magnetico a radiazione laser ad alta frequenza possa produrre un effetto magnetico a temperatura ambiente.

La nuova scoperta ha il potenziale di aprire la strada a computer più efficienti dal punto di vista energetico e più veloci, al trasferimento di informazioni e all’archiviazione dei dati. Mostra un’incredibile promessa nel rivoluzionare l’elettronica, in particolare quelle macchine costruite con tecnologia quantistica, che tendono a operare a temperature intorno allo zero assoluto (-273 gradi Celsius).

Rendere Magnetici i Materiali Non Magnetici

Nello studio più recente, i ricercatori hanno utilizzato il titanato di stronzio (SrTiO₃), un ossido di stronzio (Sr) altamente reattivo chimicamente e di titanio (Ti) leggero. Alla temperatura abitabile per l’uomo, presenta una struttura perovskite ed è noto per la sua elevata costante dielettrica.

Questo materiale è stato sottoposto alla luce di un laser ad alta frequenza, che ha agitato gli atomi e li ha mobilizzati. Ciò ha generato correnti elettriche all’interno del titanato di stronzio, rendendolo magnetico.

Parlando della novità del loro metodo, l’autore principale dello studio, Stefano Bonetti, fisico all’Università di Stoccolma e alla Ca’ Foscari, ha detto che era:

“Nel concetto di far muovere la luce gli atomi e gli elettroni in questo materiale in un moto circolare, così da generare correnti che lo rendono magnetico come un magnete da frigorifero.”

Rendere magnetico un materiale non magnetico non è una novità, però. È stato precedentemente previsto e studiato. 

Nel 2015, Nature ha pubblicato una ricerca che ha scoperto che rame e manganese, due metalli non magnetici comuni, possono essere trasformati in magneti combinando film sottili dei metalli con molecole organiche a base di carbonio. Sebbene i risultati siano stati ottenuti a temperatura ambiente, il magnetismo era debole e svaniva dopo pochi giorni.

Questo esperimento si basava su una teoria degli anni ’30 del fisico teorico Edmund Stoner dell’Università di Leeds, che ha indagato cosa rende possibile che un elemento sia magnetico.

Nel 2020, un team di ricerca è stato anche in grado di modificare materiali ossidi non magnetici e renderli magnetici attraverso una crescita controllata strato per strato di ciascun materiale. Nello stesso anno, un altro team di ricercatori ha usato l’elettricità per attivare il magnetismo nel pirite non magnetico o solfuro di ferro. La tecnica usata in questo studio era il gating elettrolitico, che prevedeva di mettere il pirite a contatto con un elettrolita (liquido ionico) e poi applicare un volt di elettricità che spostava molecole cariche positivamente e creava una forza magnetica misurabile. In questo caso, spegnere la tensione ha anche interrotto il magnetismo.

L’uso della luce per alterare le proprietà di un materiale ha anche guadagnato notevole attenzione scientifica da tempo.

Il punto è che i magneti e il campo magnetico sono solitamente generati da correnti circolanti. Nel 2019, i fisici hanno illuminato dischi metallici non magnetici con luce polarizzata linearmente, generando correnti elettriche circolanti e facendo emergere spontaneamente il magnetismo nel disco. In linea di principio, questo metodo può trasformare i metalli non ferrosi in magneti “su richiesta” usando la luce laser.

Usare la luce per ruotare gli atomi & generare corrente

La magnetizzazione causata dalla rotazione su scala macroscopica è nota come effetto Barnett. In base a questo effetto, un materiale viene ruotato interamente per allineare le rotazioni angolari intrinseche degli elettroni di un materiale magnetico disordinato, generando un campo magnetico netto al suo interno.

Nel nuovo esperimento, la rotazione su scala atomica è stata realizzata in materiali non magnetici facendo affidamento su impulsi laser polarizzati circolarmente. Gli impulsi hanno ruotato gli atomi nel materiale per produrre fononi chirali collettivi, che sono vibrazioni polarizzate circolarmente in risonanza con la frequenza del laser.

Per questo, è stata sviluppata una nuova sorgente luminosa nel lontano infrarosso (FIR), che è polarizzata circolarmente, il che significa che ha una forma a ‘cavatappi’. Quando la luce laser con questo tipo di polarizzazione entra in un materiale, la polarizzazione circolare viene trasferita ai suoi atomi facendoli ruotare e producendo correnti atomiche. Se la frequenza della luce corrisponde a quella della vibrazione dell’atomo, l’effetto è amplificato e, di conseguenza, si produce un magnetismo piuttosto grande. 

Quindi, l’esperimento condotto dal gruppo internazionale guidato da Bonetti ha poi sottoposto il materiale quantistico titanato di stronzio (SrTiO3) a fasci laser intensi ma brevi di una lunghezza d’onda e polarizzazione peculiari per indurre il magnetismo. Gli impulsi da 800 nm, della durata di picosecondi, sono stati emessi da un laser FIR da 100 µm. 

In particolare, è stata misurata la rotazione di Kerr degli impulsi di prova. Il team ha anche utilizzato diverse temperature, comprese tra 160 e 360 Kelvin. Questo ha mostrato che la risposta più alta è stata raggiunta a 280 K (7°C). A questo punto, il campo elettrico terahertz degli impulsi era in risonanza con la prima modalità fononica ottica del materiale.

In questo ultimo studio pubblicato su Nature, l’autore principale Bonetti ha osservato che era la prima volta che riuscivano a indurre e vedere chiaramente come il materiale diventasse effettivamente magnetico a temperatura ambiente. 

Questo approccio ha inoltre permesso al team “di creare materiali magnetici a partire da molti isolanti, quando i magneti sono tipicamente fatti di metalli,” ha aggiunto.

Nel frattempo, il grado di magnetizzazione indotto tramite la tecnica laser è stato misurato usando un effetto consolidato in cui la luce si riflette su un materiale in modo diverso a seconda del suo magnetismo.

Nel loro esperimento, le misurazioni hanno mostrato che il materiale era diventato magnetico. Tuttavia, l’entità della magnetizzazione indotta basata sui metodi teorici noti per calcolare questa quantità è stata circa quattro ordini di grandezza superiore a quanto previsto. Questa differenza è stata attribuita a semplificazioni eccessive fatte dai fisici nei loro calcoli. 

Un altro gruppo di ricercatori ha utilizzato impulsi laser a infrarossi polarizzati circolarmente per indurre temporaneamente un effetto magnetico in un materiale non magnetico. 

Scienziati dell’Università di Radboud, Paesi Bassi, in collaborazione con la Nihon University, Giappone, hanno fatto ciò, ma invece di impulsi a banda larga convenzionali, hanno usato impulsi a banda molto stretta dei laser a elettroni liberi FELIX, che hanno permesso di mirare meglio a particolari vibrazioni reticolari in risonanza. Hanno inoltre usato la magnetizzazione creata per invertire la magnetizzazione di una lega magnetica.

Secondo questi ricercatori, la risonanza fononica potrebbe essere usata come un modo nuovo e veloce per scrivere dati su supporti magnetici. Cambiare la direzione di rotazione della luce polarizzata circolarmente ha anche permesso al team di modificare la direzione della magnetizzazione.

L’uso crescente della luce laser

L’uso della luce laser sta crescendo rapidamente. Proprio questa settimana, gli scienziati hanno fatto una nuova scoperta: un fascio laser concentrato può cambiare lo stato magnetico di un materiale solido, dimostrando un enorme potenziale nella memoria di calcolo ultraveloce.

Per questo, gli scienziati hanno preparato una nuova equazione “elementare” che descrive il legame tra la frequenza e l’ampiezza del campo magnetico della luce e le proprietà di assorbimento energetico di un materiale magnetico. Secondo Amir Capua, professore di fisica all’Università Ebraica di Gerusalemme:

“Ci permette di riconsiderare completamente la registrazione magnetica ottica e di orientarci verso un dispositivo di archiviazione magnetica ottica denso, efficiente dal punto di vista energetico e dei costi, che ancora non esiste.” 

Si prevede che questa tecnologia porterà a componenti MRAM più veloci ed efficienti in futuro. 

Le dimensioni del mercato globale della tecnologia laser sono in realtà previste a crescere a 29,5 miliardi di dollari prima della fine del decennio, rispetto all’attuale valutazione di 20 miliardi di dollari. Questi numeri sono dovuti al vasto potenziale del laser in vari settori.

Un laser è un dispositivo ottico che produce un fascio di luce stimolando l’emissione di radiazione. Grazie alle proprietà uniche di questa luce, come alta intensità, coerenza, monocromaticità e direzionalità, i laser sono ampiamente usati in medicina, comunicazioni, scienza, militare e altro. Di conseguenza, molte invenzioni e esperimenti stanno avvenendo nel campo dei laser.

Più recentemente, scienziati in Romania hanno creato l’emissione laser più potente al mondo, pari a un decimo della potenza che il sole emette e che raggiunge la Terra. Installato in un centro vicino a Bucarest, gestito dalla compagnia francese Thales, il laser avrebbe una potenza di 10 petawatt (10 quadrilioni di watt). Il picco è stato raggiunto solo per un periodo estremamente breve, circa 25 femtosecondi, e su una larghezza di soli tre micrometri.

Gli scienziati sperano che il laser conduca a progressi rivoluzionari in settori che vanno dalla salute allo spazio. Questa invenzione può essere applicata per trattare i rifiuti nucleari e pulire i detriti spaziali.

In un’altra ricerca recente, i fisici di RIKEN hanno realizzato impulsi di luce laser molto brevi con una potenza di picco di 6 trilioni di watt. Questo è pari alla potenza prodotta da 6.000 centrali nucleari. Questo risultato aiuterà a sviluppare laser attosecondi che potranno consentire lo studio degli elettroni. 

L’anno scorso,  Anne L’Huillier, Pierre Agostini, e Ferenc Krausz hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per la loro ricerca sugli impulsi di luce attosecondi (un quintilione di secondo) di luce.

Questi impulsi laser ultra-corti possono aiutare a illuminare processi estremamente rapidi, fornendo agli scienziati un modo potente per catturarli e indagarli. 

“Rendendo possibile catturare il movimento degli elettroni, i laser attosecondi hanno dato un contributo importante alla scienza di base.”

– Eiji Takahashi del RIKEN Center for Advanced Photonics

Si prevede che vengano usati per diagnosticare condizioni mediche, osservare cellule biologiche e sviluppare nuovi materiali.

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Potenziale futuro del magnetismo indotto dal laser

Finanziato da un ERC Synergy Grant e dalla Knut and Alice Wallenberg Foundation, lo studio che ha reso magnetici i materiali non magnetici a temperatura ambiente ha osservato che in fisica l’ordine collettivo della materia è uno dei fenomeni più fondamentali e affascinanti e che è stata introdotta la multiferroicità dinamica per descrivere l’emergere della magnetizzazione. 

“In termini semplici, il moto rotatorio coerente degli ioni in un cristallo induce un momento magnetico lungo l’asse di rotazione,” afferma.

Grazie a questo meccanismo, il team è stato in grado di dimostrare la magnetizzazione nella perovskite paraelettrica archetipica SrTiO3. Questi risultati sono già stati riprodotti in diversi altri laboratori.

Tuttavia, il magnetismo del materiale è stato mantenuto solo per circa un trilionesimo di secondo. Non è stato abbastanza lungo per trovare applicazione nella memoria dei computer.

Detto ciò, questo è un ottimo punto di partenza in cui gli scienziati sono finalmente riusciti a portare la teoria alla pratica. Questo ha certamente importanti potenziali applicazioni tecnologiche che saranno realizzate nel tempo con ulteriori ricerche.

I risultati dell’esperimento, secondo la ricerca, mostrano una nuova via per il controllo del magnetismo. Questo potrebbe essere utilizzato per interruttori magnetici estremamente rapidi, ad esempio tramite il controllo coerente delle vibrazioni reticolari usando la luce.

Inoltre, sebbene questo studio sia iniziato con il titanato di stronzio, in futuro si potranno esplorare altri materiali più complessi che potrebbero mantenere il loro magnetismo per periodi più lunghi. Da qui, l’unica via è andare avanti con ulteriori scoperte entusiasmanti che apriranno la porta all’uso nei dispositivi informatici.

Come ha dichiarato l’autore dello studio Alexander Balatsky, professore di fisica al NORDITA: 

“Questo può essere usato per un trasferimento di informazioni più veloce e una memorizzazione dei dati notevolmente migliore, e per computer significativamente più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.”

Quindi, sebbene i risultati siano promettenti e possano portare a grandi miglioramenti nell’elettronica e nel calcolo basati sulla magnetizzazione, è necessario ulteriore lavoro.

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