Riassunto:
Il biossido di rutenio, una volta generalmente considerato una sostanza non magnetica dalla comunità scientifica, mostra un nuovo stato magnetico precedentemente nascosto quando viene assottigliato fino allo spessore di diversi strati atomici e sottoposto a stress. Un gruppo di ricerca guidato da Ming Yi, fisico della Rice University negli Stati Uniti, e composto dall'Università del Minnesota e dal Paul Scherr Institute in Svizzera, ha recentemente pubblicato uno studio sulla rivista accademica internazionale Science Advances, confermando per la prima volta che i film ultrasottili di biossido di rutenio mostrano un comportamento emergente di "magnetismo alternato", aprendo nuove strade per sviluppare dispositivi di archiviazione per computer di prossima generazione che siano di dimensioni più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico.
Il magnetismo alternato è un nuovo tipo di magnete proposto negli ultimi anni nella comunità della fisica teorica, che combina i principali vantaggi dei ferromagneti e degli antiferromagneti. Essendo uno dei primi materiali quantistici teoricamente dotati di proprietà magnetiche alternate, il biossido di rutenio (RuO2) è stato a lungo controverso nei circoli accademici. Numerosi esperimenti precedenti hanno dimostrato che i materiali sfusi del biossido di rutenio non mostrano alcun magnetismo macroscopico rilevabile e la comunità scientifica una volta ha formato un consenso sul fatto che i suoi materiali sfusi non sono magnetici. Tuttavia, il gruppo di ricerca multinazionale ha scoperto che la compressione delle dimensioni del materiale potrebbe essere un fattore chiave nell'attivazione del suo potenziale magnetico.
Per esplorare il comportamento magnetico microscopico su scala atomica, i ricercatori hanno preparato un film ultrasottile di biossido di rutenio con uno spessore di soli pochi strati atomici e hanno utilizzato la spettroscopia fotoelettronica con risoluzione angolare (Spin-ARPES) per misurare con precisione la struttura dello spin dell'elettrone. I risultati sperimentali sono altamente coerenti con il modello di calcolo teorico, mostrando chiaramente che il biossido di rutenio testato presenta una disposizione di spin elettronico coerente con caratteristiche magnetiche non convenzionali, indicando che in condizioni esterne specifiche, il biossido di rutenio ultrasottile e quello sfuso hanno proprietà magnetiche completamente diverse.
L'analisi sperimentale ha evidenziato che la deformazione del reticolo (Lattice Strain) ha svolto un ruolo decisivo nell'emergere di questo strano magnetismo. Quando una pellicola ultrasottile viene fatta crescere su un substrato specifico, come il biossido di titanio, lo stress sul reticolo rimodella la sua struttura elettronica microscopica, inducendo uno schema di rotazione altamente coerente con il magnetismo alternato; questo fenomeno magnetico non esiste più quando la deformazione viene rimossa o nello stato di massa nativo. Yichen Zhang, il primo autore dello studio, ha affermato che le caratteristiche dipendenti dalla deformazione significano che lo stress reticolare dovrebbe fungere da “manopola” regolatoria per l’induzione direzionale e il controllo degli stati magnetici alternati, che ha un importante valore applicativo per la progettazione di dispositivi spintronici di prossima generazione e nuove architetture di memoria ad accesso casuale (RAM).
Questa ricerca non solo fa avanzare i confini cognitivi della fisica di base dei materiali quantistici, ma fornisce anche un paradigma sperimentale fattibile per l'utilizzo dell'ingegneria dello stress epitassiale per controllare gli stati quantistici a bassa dimensionalità. Controllando con precisione lo stress meccanico su scala nanometrica, in futuro i ricercatori potrebbero essere in grado di controllare in modo più flessibile i gradi di libertà dello spin degli elettroni, promuovendo ulteriori progressi nella tecnologia di archiviazione delle informazioni a bassa potenza e ad altissima densità.
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