Altermagnetismo: cos'è e perché rivoluziona l'informatica e il mondo tecnologico

Fino ad oggi conoscevamo l’esistenza di materiali ferromagnetici e antiferromagnetici. La notizia di importanza epocale, diffusa dopo l’avvenuta pubblicazione di un importante studio accademico su Nature, è che esiste anche una terza tipologia di materiali. Evidenziano il comportamento alla base dell’altermagnetismo, una scoperta che apre la strada a orizzonti sconfinati, sinora mai esplorati, ma soltanto teorizzati. Cerchiamo di capire cos’è un materiale altermagnetico e perché l’annuncio di metà febbraio 2024 è di quelli rivoluzionari, per davvero.

Cos’è il magnetismo, in breve

Il magnetismo è un fenomeno fisico che coinvolge l’interazione tra materiali e campi magnetici. Dal punto di vista fisico, il magnetismo è strettamente legato alle proprietà dei materiali a livello atomico e subatomico.

A livello atomico, gli atomi sono composti da cariche elettriche, tra cui elettroni che orbitano intorno al nucleo. Il movimento degli elettroni crea un campo magnetico associato a ciascun elettrone. Nei materiali non magnetici, gli spin magnetici degli elettroni sono disposti in modo casuale. In quelli magnetici, gli spin degli elettroni sono organizzati in modo tale che i loro campi magnetici si sommano, dando luogo a una magnetizzazione macroscopica. Questo può avvenire in vari modi, come l’allineamento degli spin in determinate direzioni o la formazione di “domini magnetici”, regioni in cui gli spin sono allineati. Lo spin è associato al momento angolare intrinseco delle particelle: è una caratteristica quantistica che ne descrive l’orientamento intrinseco.

Quando un materiale magnetico è esposto a un campo magnetico esterno, gli spin degli elettroni possono rispondere allineandosi con il campo oppure opponendosi ad esso. Il comportamento genera un’interazione tra il materiale magnetico e il campo magnetico esterno, che può manifestarsi come attrazione o repulsione, a seconda dell’orientamento relativo degli spin.

Elettricità e magnetismo sono strettamente correlati, come dimostrato dalle equazioni di Maxwell. Un campo magnetico variabile nel tempo può generare un campo elettrico e viceversa, dando origine all’induzione elettromagnetica e ai postulati delle note leggi di Faraday e di Ampère.

La differenza principale tra materiali ferromagnetici e antiferromagnetici risiede nella disposizione dei momenti magnetici degli atomi o delle molecole che costituiscono il materiale.

Ferromagnetismo e antiferromagnetismo

Nei materiali ferromagnetici, gli spin magnetici degli atomi o delle molecole sono allineati parallelamente tra loro, generando un momento magnetico netto. A temperatura ambiente, queste tipologie di materiale possono mantenere una magnetizzazione spontanea, anche in assenza di un campo magnetico esterno. Quando sottoposti a un campo magnetico esterno, gli atomi o le molecole si allineano ancora di più, accrescendo le proprietà di magnetizzazione.

Viceversa, nei materiali antiferromagnetici, gli spin magnetici sono disposti in modo da annullarsi reciprocamente. Coppie di spin allineate in direzioni opposte, causano un orientamento del momento magnetico che risulta complessivamente nullo.

Nonostante la tendenza naturale degli spin a porsi in modo antiferromagnetico, a temperature molto basse questi materiali possono essere suscettibili a una transizione di fase. In queste situazioni gli spin si orientano in una direzione specifica.

La scoperta dell’antiferromagnetismo risale al 1932, frutto degli studi del fisico francese Louis Néel.

La grande scoperta di inizio 2024: l’altermagnetismo

Fino al XX secolo, si pensava che i materiali ferromagnetici fossero gli unici magneti permanenti, capaci cioè di mantenere le loro proprietà magnetiche per lunghi periodi senza bisogno di un campo magnetico esterno o dell’applicazione di un flusso di corrente elettrica.

Nel 2019, a valle di indagini durate anni, un gruppo di scienziati parlò dell’effetto Crystal Hall nei materiali antiferromagnetici. Nella fisica dello stato solido, l’effetto Hall cristallino si verifica in materiali con una disposizione specifica degli atomi che rompe la simmetria di inversione temporale, portando a comportamenti elettrici anomali. In particolare, negli antiferromagneti colineari, questo effetto è legato alla presenza di due copie del momento magnetico elementare all’interno della cella unitaria. Ciò porta a una complessa struttura della costante di Hall e a fenomeni elettrici unici.

Analizzando la struttura cristallina che causa l’effetto, è stata proposta l’esistenza di un nuovo tipo di magnetismo chiamato appunto altermagnetismo. Fino ad oggi, tuttavia, i ricercatori si muovevano nel campo delle ipotesi.

Il comportamento dei materiali altermagnetici, che unisce ferromagnetismo e antiferromagnetismo

Un team di ricerca guidato da Juraj Krempasky, ricercatore presso l’Istituto Paul Scherrer (Svizzera) si è concentrato sulla struttura elettronica propria dei cristalli di tellururo di manganese, precedentemente considerato antiferromagnetico, e ha potuto confermare il comportamento “altermagnetico”.

Gli esperti elvetici hanno osservato il comportamento della luce sul tellururo di manganese, misurando anche le energie e le velocità degli elettroni all’interno del cristallo. I risultati hanno mostrato una sorprendente corrispondenza con le simulazioni per i materiali altermagnetici.

Il team di ricerca ha inoltre messo in evidenza che la divisione degli elettroni in due gruppi consente loro di muoversi in modo anomalo all’interno del cristallo, sottolineando che è proprio questa la caratteristica principale dell’altermagnetismo.

Richard Evans, dell’Università di York nel Regno Unito, ha commentato che i materiali altermagnetici non solo consentono agli elettroni di muoversi più liberamente rispetto ai materiali antiferromagnetici, ma uniscono la caratteristica di non richiedere un campo magnetico esterno, a differenza dei materiali ferromagnetici. Sfruttando questa proprietà, sarebbe possibile creare nuovi dispositivi magnetici che non interferiscono reciprocamente.

Le nuove frontiere esplorabili con l’altermagnetismo

L’altermagnetismo, come abbiamo visto, è un tipo di stato magnetico persistente. Le strutture altermagnetiche sono collineari e compensate dalla simmetria cristallina, risultando evidenti in assenza di magnetismo netto.

Sebbene fosse stato teorizzato in precedenza, il lavoro pubblicato a metà febbraio 2024 su Nature, apre scenari davvero interessanti. Innanzi tutto, l’altermagnetismo potrebbe portare ad applicazioni concrete nel campo della spintronica.

Spintronica

La spintronica è una branca di ricerca tecnologica che sfrutta la proprietà intrinseca degli elettroni chiamata spin, descritta in precedenza, per trasportare e manipolare l’informazione, in aggiunta alla carica elettrica utilizzata nell’elettronica convenzionale.

Mentre l’elettronica classica si basa principalmente sulla carica elettrica degli elettroni per la trasmissione e l’elaborazione delle informazioni, la spintronica sfrutta anche la proprietà di spin degli elettroni. Il momento angolare intrinseco degli elettronici può quindi essere utilizzato per rappresentare uno stato binario (0 o 1) in modo simile al modo in cui le correnti elettriche rappresentano lo stato on/off nella logica classica.

Hard disk più performanti e più capienti. Sullo sfondo il primo computer magnetico

Facendo leva sulla spintronica, si possono progettare e realizzare dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico (minore esigenze di dissipazione del calore) oltre che più performanti e compatti. L’altermagnetismo suggerisce che le proprietà magnetiche di alcuni materiali possono essere gestite in modo innovativo per controllare lo spin degli elettroni.

Qualche esempio concreto? Grazie all’altermagnetismo potrebbe essere possibile aumentare la capacità di archiviazione degli hard disk. I dispositivi disponibili oggi sono realizzati con materiali ferromagnetici. Approfittando del fatto che i materiali altermagnetici non necessitano dell’applicazione di un campo magnetico esterno, si potrebbero produrre materiali magnetici con una densità maggiore rispetto a quelli attualmente disponibili. Anche perché non interferiscono l’uno con l’altro.

Non solo. Con l’avvento dei materiali altermagnetici, siamo a questo punto molto più vicini alla realizzazione di un “computer magnetico” che utilizza lo spin magnetico invece della corrente elettrica per eseguire misurazioni e calcoli.