Ricercatori dell’Università di Tokyo in Giappone, delle università Cornell e Johns Hopkins negli Stati Uniti e dell’Università di Birmingham nel Regno Unito hanno osservato un ampio piezomagnetismo in un materiale antiferromagnetico, il manganese-stagno (Mn3Sn). La scoperta potrebbe consentire di utilizzare questo materiale e altri simili nelle memorie dei computer di prossima generazione.
I materiali antiferromagnetici sono candidati promettenti per futuri dispositivi di memoria ad alta densità per due ragioni principali. Il primo è che gli spin degli elettroni (utilizzati come bit o unità dati) negli antiferromagneti si invertono rapidamente, a frequenze nell'ordine dei terahertz. Questi rapidi inversioni di spin sono possibili perché gli spin negli antiferromagneti tendono ad allinearsi in modo antiparallelo tra loro, portando a forti interazioni tra gli spin. Ciò contrasta con i ferromagneti convenzionali, che hanno spin elettronici paralleli.
La seconda ragione è che mentre gli antiferromagneti hanno un magnetismo interno creato dallo spin dei loro elettroni, non hanno quasi nessuna magnetizzazione macroscopica. Ciò significa che i pezzi possono essere raggruppati più densamente poiché non interferiscono tra loro. Ancora una volta, questo contrasta con i ferromagneti utilizzati nella memoria magnetica convenzionale, che generano una magnetizzazione netta considerevole.
I ricercatori utilizzano il ben noto effetto Hall (in cui un campo magnetico applicato induce una tensione in un conduttore in una direzione perpendicolare sia al campo che al flusso di corrente) per leggere i valori dei bit antiferromagnetici. Se gli spin del bit antiferromagnetico ruotano tutti nella stessa direzione, la tensione di Hall cambia segno. Un segno della tensione corrisponde quindi alla direzione di “spin up” o “1” e l'altro segno a “spin down” o “0”.
I controlli della tensione cambiano segno
Nel nuovo lavoro, un team guidato da Satoru Nakatsuji della Università di Tokyo attrezzature usate sviluppate da Clifford Hicks e colleghi di Birmingham posizionare un campione di Mn3Sn sotto sforzo. Mn3Sn è un antiferromagnete imperfetto (Weyl) con una magnetizzazione debole, ed è noto che mostra un effetto Hall anomalo (AHE) molto forte, in cui i portatori di carica acquisiscono una componente di velocità perpendicolare a un campo elettrico applicato anche senza un campo magnetico applicato.
Gli antiferromagneti drogati commutano più velocemente
I ricercatori hanno scoperto che, applicando diversi gradi di deformazione al campione, potevano controllare sia l'entità che il segno dell'AHE del materiale. "Dalla scoperta dell'AHE da parte di Edwin Hall nel 1881, non è stato fatto alcun rapporto sulla continua sintonizzazione del segno dell'AHE in base al ceppo", dice Nakatsuji Mondo della fisica. “A prima vista, può sembrare che la conduttività di Hall, una quantità che è dispari nell’inversione del tempo, non possa essere controllata dalla deformazione, che è anche nell’inversione del tempo. Tuttavia, il nostro esperimento e la nostra teoria dimostrano chiaramente che un ceppo molto piccolo, nell’ordine dello 0.1%, può controllare non solo le dimensioni ma anche il segno dell’AHE”.
Importante per la spintronica antiferromagnetica
Il team afferma che essere in grado di controllare l’AHE utilizzando la deformazione sarà importante per le cosiddette applicazioni “spintronice” che coinvolgono materiali antiferromagnetici. Poiché lo stato semimetallico di Weyl di Mn3Sn può anche essere commutato elettricamente, la nuova scoperta rende il materiale ancora più attraente per la spintronica e diversi gruppi in tutto il mondo stanno ora lavorando per fabbricarlo sotto forma di film sottile.
Il presente lavoro è dettagliato in Fisica della natura.
