Rivoluzione Magnetica: Il MIT Scopre un Nuovo Stato Magnetico con la Luce Terahertz

Una scoperta che potrebbe trasformare le tecnologie di memoria e archiviazione dati

Un team di fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha recentemente fatto una scoperta significativa nel campo della fisica dei materiali. Hanno identificato un nuovo stato magnetico in un materiale antiferromagnetico utilizzando la luce terahertz. Questa innovazione potrebbe rivoluzionare le tecnologie di memoria, rendendole più resistenti alle interferenze magnetiche. Grazie a un’accurata modulazione delle vibrazioni della luce a livello atomico, i ricercatori sono riusciti a generare uno stato magnetico che persiste oltre gli effetti immediati, aprendo la strada a potenziali applicazioni nel settore dell’archiviazione dati e dell’elaborazione delle informazioni.

L’uso della luce terahertz per il controllo magnetico

Nel loro studio pubblicato sulla rivista Nature, i fisici del MIT hanno dimostrato come sia possibile creare un nuovo stato magnetico duraturo in un materiale antiferromagnetico utilizzando esclusivamente la luce. Attraverso un laser terahertz, che oscilla a più di un trilione di volte al secondo, il team ha potuto influenzare direttamente gli atomi del materiale. Sintonizzando con precisione le oscillazioni del laser per allinearle alle vibrazioni naturali degli atomi, i ricercatori hanno modificato l’allineamento degli spin atomici, dando vita a un nuovo stato magnetico. Questa scoperta rappresenta un approccio innovativo per controllare e commutare i materiali antiferromagnetici, fondamentali per il progresso delle tecnologie di elaborazione delle informazioni e dei chip di memoria.

A differenza dei magneti ferromagnetici, dove gli spin degli atomi si orientano nella stessa direzione, negli antiferromagneti gli spin sono disposti in modo alternato. Questo comportamento rende gli antiferromagneti resistenti a qualsiasi attrazione magnetica esterna, conferendo loro caratteristiche uniche.

Nuh Gedik, Tianchuang Luo e Alexander von Hoegen
In generale, tali materiali antiferromagnetici non sono facili da controllare, dice Nuh Gedik, ritratto tra Tianchuang Luo, a sinistra, e Alexander von Hoegen. Ulteriori co-autori del MIT includono Batyr Ilyas, Zhuquan Zhang e Keith Nelson.
Adam Glanzman

Potenziale applicativo nella tecnologia dei chip di memoria

Immaginate un chip di memoria realizzato con materiale antiferromagnetico. I dati potrebbero essere “scritti” in piccole aree del materiale, note come domini. In questo contesto, una specifica configurazione degli spin rappresenterebbe il bit classico 0, mentre una configurazione opposta indicherebbe 1. I dati memorizzati in un tale chip sarebbero altamente resistenti alle influenze magnetiche esterne. Per queste ragioni, i materiali antiferromagnetici possono costituire un’alternativa più robusta rispetto alle attuali tecnologie di archiviazione basate su magneti.

I fisici del MIT magnetizzano il materiale con la luce
Utilizzando luce terahertz accuratamente sintonizzata, il team del MIT è stato in grado di commutare controllabilmente un antiferromagnete a un nuovo stato magnetico. La transizione è persistere per un tempo sorprendentemente lungo, oltre diversi millisecondi, anche dopo che il laser è stato spento.
Adam Glanzman

Tuttavia, una delle sfide principali è stata quella di trovare un metodo efficace per controllare gli antiferromagneti. Nuh Gedik, professore di fisica al MIT, sottolinea: “I materiali antiferromagnetici sono robusti e non influenzati da campi magnetici indesiderati. Tuttavia, questa robustezza è una lama a doppio taglio; la loro insensibilità ai campi magnetici deboli rende difficile controllarli.” Grazie all’uso della luce terahertz, il team del MIT è riuscito a commutare in modo controllato un antiferromagnete a un nuovo stato magnetico, aprendo la strada a chip di memoria futuri in grado di immagazzinare e elaborare una maggiore quantità di dati.

Tecniche innovative nei materiali quantistici

Il gruppo di ricerca di Gedik si dedica allo sviluppo di tecniche per manipolare materiali quantistici. “In generale, utilizziamo la luce per eccitare i materiali e comprendere meglio le forze che li uniscono”, spiega Gedik. “Ci chiediamo perché un materiale si comporti come un antiferromagnete e se esista un modo per perturbare le interazioni microscopiche affinché si trasformi in un ferromagnete.” Nel loro studio, i ricercatori hanno lavorato con FePS3, un materiale che presenta una fase antiferromagnetica a una temperatura critica di circa 118 kelvin.

Il team ha ipotizzato di poter controllare la transizione del materiale sintonizzandosi sulle sue vibrazioni atomiche. “In un solido, gli atomi sono disposti periodicamente e tra di essi ci sono piccole molle”, chiarisce Alexander von Hoegen. “Se si tira un atomo, esso vibrerà a una frequenza caratteristica che si colloca tipicamente nell’intervallo terahertz.”

Implicazioni pratiche e prospettive future

Le vibrazioni atomiche sono correlate anche alle interazioni tra gli spin. Il team ha ragionato che stimolando gli atomi con una sorgente terahertz che oscilla alla stessa frequenza delle vibrazioni collettive, sarebbe possibile alterare l’allineamento degli spin. Una volta sbilanciati, gli spin degli atomi avrebbero una maggiore inclinazione in una direzione rispetto all’altra, generando un’orientazione preferita che trasformerebbe il materiale intrinsecamente non magnetizzato in uno stato magnetico.

Per testare questa teoria, il team ha utilizzato un campione di FePS3 sintetizzato da ricercatori della Seoul National University. Dopo aver posizionato il campione in una camera a vuoto e raffreddato a temperature pari o inferiori a 118 K, hanno generato un impulso terahertz. “L’impulso terahertz è ciò che utilizziamo per indurre un cambiamento nel campione”, spiega Tianchuang Luo. “È come ‘scrivere’ un nuovo stato nel materiale.” Per verificare che l’impulso avesse effettivamente innescato un cambiamento nel magnetismo, il team ha utilizzato due laser infrarossi con polarizzazioni circolari opposte.

Conclusioni e prospettive di ricerca futura

Attraverso una serie di esperimenti, il team ha dimostrato che un impulso terahertz può commutare con successo un materiale precedentemente antiferromagnetico in un nuovo stato magnetico. Questa transizione persiste per diversi millisecondi anche dopo lo spegnimento del laser. “Altri studi hanno osservato transizioni di fase indotte dalla luce in sistemi simili, ma di solito durano solo per un breve intervallo”, commenta Gedik.

Questa finestra temporale di millisecondi offre agli scienziati l’opportunità di esplorare le proprietà del nuovo stato temporaneo. In futuro, potrebbero identificare nuove modalità per regolare gli antiferromagneti e ottimizzarne l’uso nelle tecnologie di archiviazione dati di prossima generazione. Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.

Nuh Gedik
Le persone hanno visto queste transizioni di fase indotte dalla luce in altri sistemi, ma tipicamente durano per tempi molto brevi dell’ordine di un picosecondo, che è un trilionesimo di secondo, dice Gedik.
Adam Glanzman

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