Magnetismo in strati sottili: Un elettrone fa la differenza

Il grafene è stato una pietra miliare. Quando nel 2004 Andre Geim e Konstantin Novoselov produssero i primi strati di carbonio a un solo atomo, non avevano idea che avrebbero dato vita a un campo di ricerca completamente nuovo. Tuttavia, gli strati ultrasottili costituiti da pochi strati atomici - i cosiddetti materiali cristallini bidimensionali - hanno già rivelato sorprendenti proprietà ottiche, elettroniche, magnetiche e persino superconduttive. Il team di Thorsten Schmitt è leader internazionale in questo campo di ricerca.

I ricercatori del gruppo di spettroscopia dei materiali quantistici del PSI Center for Photon Science sono specializzati nella produzione e nell'indagine spettroscopica di sottili strati atomici di diversi composti chimici, che impilano alternativamente l'uno sull'altro - come un sandwich. In questi materiali ibridi, hanno ripetutamente trovato fenomeni interessanti, come recentemente in un superlattice in cui si alternano strati di nichelato di lantanio (_LaNiO3) e titanato di lantanio (_LaTiO3). Il nichelato di lantanio è amagnetico (paramagnetico) e il titanato di lantanio è antiferromagnetico (vedi riquadro sottostante: "Il magnetismo spiegato in breve"). Se i due materiali vengono impilati l'uno sull'altro, gli elettroni - particelle elementari cariche negativamente - saltano dal titanato al nichelato e questo cambia anche il magnetismo: il nichelato di lantanio diventa antiferromagnetico, mentre il titanato di lantanio è ora amagnetico.

Sensazione in fisica

Per i non addetti ai lavori questo scambio sembra un inutile gioco di prestigio, ma per i ricercatori in fisica è un passo importante. Permette di personalizzare i materiali, ad esempio per le memorie magnetiche del futuro. Il titanato di lantanio non è adatto a questo scopo perché, essendo un isolante, non conduce l'elettricità. Il nichelato di lantanio, invece, è un buon conduttore e, in combinazione con la nuova proprietà magnetica, è un promettente materiale di partenza per i cosiddetti componenti spintronici dei computer, in cui il classico ferromagnetismo di un disco rigido è sostituito da celle di memoria antiferromagnetiche basate sul giroscopio (spin) degli elettroni. Le proprietà sulla superficie o sulle interfacce sono decisive per questi componenti. "La nostra ricerca non è finalizzata allo sviluppo della memoria in sé, ma alla comprensione delle proprietà fondamentali che definiscono il principio di funzionamento delle applicazioni future - stiamo conducendo una ricerca di base", sottolinea Schmitt. Tuttavia, ciò è urgentemente necessario, poiché molti fenomeni nei materiali bidimensionali non sono ancora compresi e ci sono sempre scoperte sorprendenti.

Il team del PSI ha un elevato livello di competenza sia nei metodi speciali di esame petroscopico a raggi X sia nella produzione di strati sottili dei cosiddetti materiali quantistici. In primo luogo, il campione viene prodotto prendendo due pellet contenenti i due materiali di partenza. Tuttavia, questi pellet contengono la sostanza in forma policristallina, ma i materiali monocristallini sono necessari per scopi di ricerca speciali e applicazioni future. Per ottenere pellicole monocristalline della composizione desiderata, il ricercatore del PSI Milan Radovic utilizza un laser per sparare il materiale dal pellet, che viene poi depositato su un substrato cristallino. La struttura cristallina del materiale è allineata con il reticolo del substrato, così i ricercatori ottengono esattamente il reticolo cristallino desiderato. La stessa procedura viene seguita con il pellet del secondo materiale, poi di nuovo con il primo e così via - fino a quando un totale di 60 strati sono impilati l'uno sull'altro in perfetto allineamento. L'operazione richiede diverse ore e lo spessore dello strato viene controllato dopo ogni fase. In questo particolare esperimento, gli strati di titanato avevano uno spessore di due celle di griglia, mentre quelli di nichelata arrivavano fino a dieci celle di griglia. Gli strati più sottili misuravano meno di un nanometro.

"Anche altri gruppi di ricerca ci hanno provato, ma non sono riusciti a farlo in modo così perfetto", spiega Radovic. Questo perché il nichelato di lantanio e il titanato di lantanio richiedono diverse pressioni di fondo di ossigeno per crescere nella composizione desiderata. Teguh Asmara e Milan Radovic hanno avuto l'idea di utilizzare l'azoto come gas di fondo per impostare pressioni di fondo idealmente identiche per entrambi i materiali.

La parte difficile del progetto

Poi è arrivata la parte più difficile del progetto di ricerca: il cambiamento sperato nelle proprietà magnetiche si è effettivamente verificato? Per trovare la risposta a questa domanda, i ricercatori hanno dovuto procedere come detective in tre fasi. In primo luogo, Andreas Suter del Laboratory for Muon Spin Spectroscopy del PSI Center for Neutron and Muon Sciencesha bombardato il campione con muoni provenienti dalla Sorgente Muonica Svizzera SμS del PSI, regolando l'energia in modo preciso affinché queste particelle si fermassero in prossimità delle interfacce del reticolo. In un campo magnetico applicato esternamente, questi muoni eseguono un movimento giroscopico oscillante che può essere misurato. Se questa precessione rimane costante nel tempo, il materiale non è magnetico. Se invece diminuisce nel tempo, significa che il materiale è magnetico, come in questo caso. I muoni decadono dopo poco tempo, emettendo positroni che possono essere utilizzati per rilevare indirettamente il comportamento dei muoni.

Tuttavia, i fisici non sanno ancora che tipo di magnetismo sia presente. In una seconda fase, hanno misurato il disco sottile con sensori magnetici altamente sensibili - senza un segnale di misura. Poiché questi sensori possono rilevare solo il ferromagnetismo, è stato chiaro: il campione è magnetico, ma non ferromagnetico, quindi deve essere antiferromagnetico.

La struttura degli elettroni è fondamentale per questo. Per caratterizzarla, i fisici hanno utilizzato il metodo RIXS (Resonant Inelastic X-ray Scattering) in una terza fase. Utilizzando la radiazione a raggi X del sincrotrone Swiss Light Source SLS con un'energia regolata con precisione, un elettrone viene sollevato dalla banda energetica più bassa di un atomo in una banda energetica non occupata. Poiché questo porta a uno squilibrio nell'atomo, un altro elettrone da una banda di energia più bassa cade nella lacuna sottostante in un quadrilionesimo di secondo - anch'esso emette raggi X, ma a un'energia inferiore. La differenza di energia tra la luce incidente e quella emessa fornisce informazioni sulle distanze tra le bande energetiche. Inoltre, gli elettroni compiono movimenti giroscopici che si propagano attraverso il materiale sotto forma di onde di spin, i cosiddetti magnoni, come un sasso lanciato nell'acqua. In questo modo, i ricercatori sondano la complessa struttura degli elettroni e le proprietà magnetiche locali del materiale.

Tutte le possibilità in un unico luogo

È un grande vantaggio che tutti i metodi di ricerca siano disponibili in un unico luogo al PSI, sottolinea Thorsten Schmitt. Il suo team è specializzato in indagini spettroscopiche con i raggi X dell'SLS. "I colleghi che lavorano con i muoni si trovano nell'ufficio vicino. Questo ci permette di sfruttare al massimo le sinergie". Tuttavia, le strutture del PSI non sono sempre sufficienti per rispondere a tutte le domande di ricerca. Ad esempio, l'SLS sta avanzando negli anni e per le misurazioni dettagliate sono necessarie altre sorgenti di radiazione di sincrotrone, come l'ESRF di Grenoble o la Diamond Light Source di Oxford. I campioni per il presente lavoro sono stati quindi prima analizzati in dettaglio all'SLS del PSI per determinare la struttura degli elettroni. Le due strutture summenzionate in Francia e nel Regno Unito sono state poi utilizzate per misure mirate delle onde di spin con la massima risoluzione possibile.

L'attuale aggiornamento a SLS 2.0 consentirà alla struttura di erogare in futuro una maggiore quantità di luce a raggi X e di effettuare misure più precise in tempi più brevi. Per poterne usufruire, il gruppo di lavoro di Thorsten Schmittdeve ricostruire il sistema RIXS. Invece dei precedenti cinque metri, il nuovo sistema sarà lungo undici metri. Anche tutti i reticoli di diffrazione per l'analisi del fascio di raggi X saranno rinnovati e progettati per una maggiore precisione di misura. Il concetto è già stato finalizzato, i fondi sono stati approvati e sono in corso i preparativi per l'acquisto e la produzione dei nuovi componenti.

Thorsten Schmitt ha già idee per ulteriori ricerche. Ad esempio, i ricercatori hanno recentemente scoperto che i nichelati bidimensionali diventano superconduttori quando sono sottoposti ad alta pressione. Poiché il materiale ibrido del progetto PSI ha la stessa struttura elettronica, potrebbe diventare superconduttore in condizioni simili, cioè condurre elettricità senza perdite. A tal fine, il materiale potrebbe essere posto in una camera pressurizzata o la spaziatura del reticolo potrebbe essere contratta mediante una spinta meccanica, inducendo eventualmente anche la superconduttività. Anche il drogaggio del materiale, ossia la contaminazione deliberata con atomi estranei, potrebbe essere un'opzione. Questo principio è utilizzato per i materiali che diventano superconduttori ad alte temperature. "Dobbiamo assolutamente cercare di rendere il nostro materiale ibrido superconduttore: l'argomento è semplicemente troppo promettente per essere ignorato", conclude Schmitt.