Il magnetismo è noto fin dall’antichità come capacità di alcuni materiali di esercitare una forza di attrazione. Oggi sappiamo che dipende dagli spin sui loro atomi, orientati tutti nella medesima direzione. Questi materiali, comunemente identificati con le calamite, sono detti tecnicamente “ferromagneti”. Negli anni Trenta il fisico francese Louis Néel scoprì un'altra classe di materiali magnetici, osservabile quando la direzione dello spin su un atomo è opposta a quella sull’atomo accanto: gli antiferromagneti. Nel 1970, quando gli fu conferito il Nobel, li definì “interesting but useless”. Non poteva conoscere il ruolo che avrebbero avuto nei dispositivi elettronici ad alta efficienza e nella spintronica. Un terzo tipo di magneti è stato scoperto nel 2022 e sta suscitando un vero e proprio fermento nella comunità dei fisici. La professoressa Silvia Picozzi (Dipartimento di Scienza dei Materiali), in collaborazione con un’équipe di ricerca del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston, ha individuato uno di questi materiali e ha pubblicato su Nature i risultati della ricerca. Ci racconta perché l’innovazione in questo campo potrebbe ridurre drasticamente i consumi dei dispositivi elettronici, aumentandone anche la velocità.
Com’è nata la sua ricerca?
Sono in Bicocca da circa un anno, dopo aver lavorato per 20 anni al CNR come dirigente di ricerca. Sono una fisica teorica computazionale: significa che non faccio esperimenti né un’attività teorica “carta e penna”; il mio lavoro consiste in simulazioni al computer. In poche parole, utilizziamo dei software per predire e progettare nuovi materiali. Il vantaggio di studiare un materiale dal punto di vista computazionale è che, rispetto alla sintesi e alla caratterizzazione sperimentale, questo metodo è molto più veloce ed economico.
Come possiamo rappresentare lo spin degli elettroni?
Si tratta di una proprietà che in fisica classica non esiste, mentre è un pilastro della fisica quantistica. Per questo è sempre difficile da esprimere: diciamo che gli spin si possono immaginare come aghi delle bussole: su ogni atomo potremmo dire che ci sono degli aghi orientati verso Nord o verso Sud. Il magnetismo ha trovato molte applicazioni tecnologiche proprio perché può avere un allineamento in una direzione o in quella opposta; quindi, è come avere a disposizione un valore binario 1/0, per questo è utile nei computer, quando si tratta di fare logica o di immagazzinare dati in memoria.
I problemi sorgono quando si ha una miniaturizzazione molto elevata, perché con i ferromagneti intervengono campi magnetici detti “parassiti”, che si generano all’esterno del materiale quando esso è magnetizzato; ciò può deteriorare la registrazione magnetica e rende non miniaturizzabile al di sotto di una certa scala il ferromagnete. Sono stati quindi ideati dispositivi basati sugli antiferromagneti, che non producono campi parassiti; sono quindi migliori per la miniaturizzazione, e lo sono anche dal punto di vista della risposta in frequenza (semplificando, sono più veloci). Hanno però una magnetizzazione più difficile da controllare. Pensiamo ai nostri hard disk: la lettura delle informazioni viene fatta su base magnetica, ad esempio utilizzando le “valvole di spin”, ovvero dei dispositivi che consentono il passaggio della corrente o lo bloccano in funzione dell’allineamento degli spin in due strati magnetici: se puntano nello stesso senso la corrente passa, se puntano in senso opposto, no. Ebbene, questa valvola di spin non funziona se sotto non c’è un antiferromagnete.
Parliamo di spintronica, ci spieghi in che cosa consiste?
L’elettronica che si usa in genere, quella del silicio, dei transistor nei computer, è basata sulla carica dell’elettrone, sulle correnti di elettroni. Esiste però anche una branca dell’elettronica che usa non solo la carica dell’elettrone, ma la proprietà quantistica detta spin. La spintronica è basata non su correnti di elettroni, ma su correnti di spin: invece di trasportare la carica dell’elettrone, si trasporta lo spin.
Ogni materiale ha degli stati elettronici, una struttura elettronica, il che significa che ci sono degli stati in cui gli elettroni possono sistemarsi. In un ferromagnete la struttura elettronica dipende dallo spin, cioè gli spin in una direzione occupano alcuni stati di energia, gli spin nella direzione opposta occupano altri stati in energia, e questo consente di creare delle correnti di spin. La spintronica richiede stati elettronici che sono dipendenti dallo spin. Negli antiferromagneti invece, gli spin che puntano in una direzione hanno alcuni stati elettronici, ma gli spin che puntano in direzione opposta siedono sugli stessi stati elettronici, cioè hanno la stessa energia: questo impedisce di creare delle correnti di spin. Qui viene in soccorso la scoperta che è stata fatta nel 1922 del terzo tipo di magnetismo. Questa classe è quella degli altermagneti, particolari materiali antiferromagnetici che non producono campi magnetici parassiti, ma che si possono usare per produrre correnti di spin. Combinano quindi gli aspetti positivi di entrambe le classi precedenti. La scoperta è stata talmente importante che la rivista Science, che ogni anno pubblica i dieci argomenti più all’avanguardia in tutte le scienze, ha indicato l’altermagnetismo come unico argomento di fisica.
E il vostro contributo qual è stato?
Noi abbiamo trovato un materiale dalle proprietà altermagnetiche, lo ioduro di nichel. Lo stavamo già studiando da qualche anno, abbiamo fatto previsioni e simulazioni che ci hanno portato a dire che aveva un allineamento magnetico controllabile con un campo elettrico. Quasi subito mi ha scritto un professore italiano che lavora all’MIT, Riccardo Comin, manifestando il suo interesse sperimentale a verificare le nostre predizioni teoriche. All’MIT hanno così cresciuto il materiale, l’hanno caratterizzato sperimentalmente, e in seguito abbiamo capito che era un altermagnete: questo ha meritato l’attenzione di Nature. Purtroppo, lo ioduro di nichel richiede, per funzionare magneticamente, temperature molto basse, e questo non lo rende un candidato ideale dal punto di vista applicativo. Sulla base delle sue caratteristiche però possiamo cominciare a cercare altri materiali che abbiano le stesse proprietà, ma lavorino ad una temperatura più alta.
Dal punto di vista applicativo cosa comporterebbe?
La spintronica è energeticamente efficiente, cioè consente di consumare fino al 90% meno energia degli attuali dispositivi. Questo aspetto diventa cruciale se si considera ad esempio l’impatto enorme che sta avendo sui consumi energetici lo sviluppo dell’intelligenza artificiale: pensiamo ai grandi centri dati, come quelli di Google, che consumano come una città. Inoltre, gli antiferromagneti lavorano a velocità superiori e non sono “volatili”: in un materiale magnetico lo stato è conservato. Il loro utilizzo consentirebbe quindi per esempio di ridurre drasticamente i tempi di accensione di un pc.
