La svolta nella magnetite consente all’elettronica di essere controllata dalla luce

La magnetite è il magnete naturale più antico e più potente. Viene utilizzato in elettronica e ha proprietà uniche che lo hanno reso interessante nel campo della spintronica: dispositivi che fanno girare gli elettroni invece del loro flusso (che è ciò che conosciamo come corrente elettrica). Inoltre, la magnetite ha svolto un ruolo cruciale nella comprensione del magnetismo, attirando l’interesse di Einstein e di altri famosi scienziati. Le sue proprietà magnetiche ed elettroniche sono studiate nel biomagnetismo, nella catalisi e nel paleomagnetismo.

Recentemente, la ricerca sullo sfruttamento delle proprietà di commutazione di non equilibrio della magnetite ha acquisito un notevole slancio, evidenziandone il potenziale nelle tecnologie avanzate. La ricca storia della magnetite e le sue molteplici applicazioni continuano a impressionare e guidare la scoperta scientifica.

“Un po ‘di tempo fa, Mostraci “È possibile indurre una transizione di fase inversa nella magnetite”, afferma il fisico Fabrizio Carbone dell’EPFL. “È come se prendessi l’acqua e potessi trasformarla in ghiaccio inserendovi energia con un laser. Questo è controintuitivo, l’acqua viene solitamente raffreddata quando si congela, il che significa che l’energia le viene rimossa.”

Ora, Carbone ha condotto un progetto di ricerca per chiarire e controllare le proprietà microstrutturali della magnetite durante tali trasformazioni di fase indotte dalla luce. Lo studio ha scoperto che utilizzando specifiche lunghezze d’onda della luce (colori) per l’eccitazione ottica, il sistema può spingere la magnetite in distinti stati instabili (“stabile” nel senso che lo stato può cambiare in determinate condizioni) chiamati “fasi nascoste”, rivelando così un nuovo protocollo per manipolazione delle proprietà dei materiali su scale temporali ultrarapide.

I risultati, che potrebbero avere un impatto sul futuro dell’elettronica, sono stati pubblicati sulla rivista PNAS.

Cosa sono gli “stati di disequilibrio”? Uno “stato di equilibrio” è essenzialmente uno stato stabile in cui le proprietà della materia non cambiano nel tempo perché le forze al suo interno sono bilanciate. Quando questo viene interrotto, si dice che la materia (il “sistema”, per essere precisi in termini di fisica) entra in uno stato di disequilibrio, esibendo proprietà che possono rasentare il bizzarro e l’imprevedibile.

Le “fasi nascoste” della magnetite

Una transizione di fase è un cambiamento nello stato di una sostanza dovuto a cambiamenti di temperatura, pressione o altre condizioni esterne. Un esempio quotidiano di ciò è il passaggio dell’acqua da ghiaccio solido a liquido o da liquido a gas quando bolle.

Le transizioni di fase nei materiali solitamente seguono percorsi prevedibili in condizioni di equilibrio. Ma quando le sostanze perdono l’equilibrio, possono iniziare a mostrare le cosiddette “fasi nascoste” – stati intermedi normalmente inaccessibili. Il monitoraggio delle fasi nascoste richiede tecniche avanzate in grado di catturare cambiamenti rapidi e sottili nella struttura di un materiale.

Magnetite (Fe₃UN₄) è un materiale ben studiato noto per la sua interessante transizione da metallico a isolante a basse temperature, dalla capacità di condurre elettricità al bloccarla attivamente. Questa è nota come transizione Ferwey e cambia radicalmente le proprietà elettroniche e strutturali della magnetite.

Grazie alla sua complessa interazione tra struttura cristallina, carica e disposizione orbitale, la magnetite può subire questa trasformazione da metallica ad isolante a circa 125 K.

I laser ultraveloci catalizzano sottili trasformazioni nella magnetite

“Per comprendere meglio questo fenomeno, abbiamo fatto questo esperimento in cui abbiamo osservato direttamente i movimenti atomici che si verificano durante questa trasformazione”, afferma Carbone. “Abbiamo scoperto che l’eccitazione laser porta il solido in alcune fasi diverse che non esistono in condizioni di equilibrio”.

Gli esperimenti hanno utilizzato due diverse lunghezze d’onda della luce: il vicino infrarosso (800 nm) e la luce visibile (400 nm). Quando eccitata con impulsi luminosi da 800 nm, la struttura della magnetite veniva interrotta, creando una miscela di regioni metalliche e isolanti. Al contrario, gli impulsi luminosi da 400 nm hanno reso la magnetite un isolante più stabile.

Per monitorare i cambiamenti strutturali nella magnetite causati dagli impulsi laser, i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione elettronica ultraveloce, una tecnica in grado di “vedere” i movimenti degli atomi nei materiali su scale temporali inferiori a un picosecondo (un picosecondo è un trilionesimo di secondo).

Questa tecnica ha permesso agli scienziati di osservare come le diverse lunghezze d’onda della luce laser influenzano effettivamente la struttura della magnetite a livello atomico.

La struttura cristallina della magnetite è nota come “reticolo monoclino”, dove la cella unitaria ha la forma di una scatola inclinata, con tre bordi disuguali, due dei quali hanno angoli di 90 gradi mentre il terzo è diverso.

Quando la luce con una lunghezza d’onda di 800 nm è stata riflessa sulla magnetite, ha causato una rapida compressione del reticolo monoclino della magnetite, trasformandolo in una struttura cubica. Ciò avviene in tre fasi in un periodo di 50 picosecondi e indica la presenza di complesse interazioni dinamiche che si verificano all’interno del materiale. Al contrario, la luce visibile con una lunghezza d’onda di 400 nm ha causato l’espansione del reticolo, rafforzando il reticolo monoclino e creando una fase più organizzata, un isolante stabile.

Effetti fondamentali e applicazioni tecnologiche

Lo studio rivela che le proprietà elettroniche della magnetite possono essere controllate utilizzando selettivamente diverse lunghezze d’onda della luce. La comprensione di queste transizioni indotte dalla luce fornisce preziose informazioni sulla fisica fondamentale dei sistemi fortemente accoppiati.

“Il nostro studio apre le basi per un nuovo approccio al controllo della materia su una scala temporale ultraveloce utilizzando impulsi fotonici personalizzati”, hanno scritto i ricercatori. La capacità di indurre e controllare fasi nascoste nella magnetite potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di materiali e dispositivi avanzati. Ad esempio, i materiali in grado di passare da uno stato elettronico all’altro in modo rapido ed efficiente potrebbero essere utilizzati nei dispositivi informatici e di memoria di prossima generazione.

Altri contributori

• Politecnico di Milano
• Università degli Studi di Milano-Bicocca
• Università Paris-Saclay, CNRS