Fino ad oggi la scienza conosceva principalmente due forme di magnetismo, ma una recente scoperta ha rimescolato le carte in tavola fornendo le prove sperimentali per un 3° tipo di magnetismo in un materiale specifico, aprendo scenari del tutto inediti per la tecnologia del futuro. Nei ferromagneti classici, come quelli che attacchiamo comunemente alla porta del frigorifero, gli spin atomici si allineano nella medesima direzione. Negli antiferromagneti, invece, gli spin vicini puntano in direzioni opposte annullandosi a vicenda. Ora un team di ricercatori ha dimostrato che un particolare diseleniuro di tantalio intercalato con cobalto, noto come Co1/4TaSe2, fonde in sé le caratteristiche di entrambe le categorie. Questo materiale innovativo appartiene alla famiglia degli altermagneti, una classe di elementi che i teorici avevano descritto solamente nel corso degli ultimi anni e che fino a questo momento non aveva mai trovato un riscontro pratico e misurabile di tale portata.
I segreti della nuova scoperta
Gli altermagneti non presentano una magnetizzazione netta, comportandosi di fatto all’esterno come dei veri e propri antiferromagneti. Tuttavia, i loro elettroni agiscono internamente come se il materiale fosse effettivamente magnetico, con l’energia degli elettroni che varia strettamente in base al loro spin e alla loro direzione di viaggio. Questa combinazione unica risulta incredibilmente attraente per la spintronica, ovvero quel campo di ricerca dedicato alla costruzione di dispositivi elettronici molto più veloci ed efficienti che sfruttano lo spin degli elettroni al posto della consueta carica elettrica. Poiché gli altermagneti non producono campi magnetici dispersi, i futuri componenti realizzati con questi materiali potrebbero teoricamente essere impacchettati a distanze ravvicinate senza interferire in alcun modo gli uni con gli altri.
Il professor Madhab Neupane, autore senior dello studio dell’University of Central Florida, ha spiegato come il ferromagnetismo produca il comportamento che tutti associamo ai magneti di uso quotidiano. In questi materiali i momenti magnetici si allineano nella stessa direzione creando un campo magnetico che risulta utile per l’elettronica, portando però con sé lo svantaggio dei campi dispersi in grado di disturbare gravemente i componenti vicini. Gli antiferromagneti evitano questo problema, ma mancano delle preziose proprietà elettroniche di cui i ricercatori hanno bisogno.
Un cristallo a strati per l’elettronica del futuro
Gli altermagneti superano questo ostacolo combinando esattamente le caratteristiche desiderate di entrambi i mondi. Nello studio pubblicato sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica della spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo per mappare con precisione il movimento degli elettroni all’interno del cristallo. Il team ha prima rilevato una scissione caratteristica nelle bande elettroniche del Co1/4TaSe2 e ha poi confermato che questi stati scissi trasportavano polarizzazioni di spin opposte, trovando così la prova chiave dell’altermagnetismo.
Il materiale analizzato risulta particolarmente distintivo perché si tratta di un cristallo di van der Waals a strati. Questa peculiare struttura fisica potrebbe rendere decisamente più facile combinarlo con altri materiali esotici all’interno dei dispositivi, come ad esempio i superconduttori, a differenza di altri candidati altermagnetici studiati finora che non presentano questa comoda stratificazione. Il primo autore della ricerca, Milo Sprague, ha sottolineato come la prova dell’altermagnetismo in una piattaforma di materiali così versatile apra moltissime nuove possibilità di sviluppo. Gli scienziati hanno finalmente a disposizione un materiale facilmente modificabile per esplorare a fondo le interazioni tra stati elettronici polarizzati e gli altri complessi fenomeni magnetici.