Electrically Switchable Spintronics in a Multiferroic Altermagnet

Per decenni, gli scienziati hanno cercato materiali in grado di fare due cose contemporaneamente: ricordare uno stato magnetico come un hard disk e cambiare tale stato con l'elettricità come un interruttore della luce. Questo sogno appartiene a una classe di sostanze chiamate multiferroici, dove la disposizione delle cariche elettriche e l'allineamento degli spin magnetici sono legati tra loro. Se un tale materiale potesse essere controllato da un semplice campo elettrico, permetterebbe ai computer di elaborare informazioni utilizzando molta meno energia rispetto alla tecnologia attuale, che si basa sul movimento di correnti elettriche che generano calore. Tuttavia, trovare un materiale che sia sia magnetico che elettricamente commutabile è stato difficile, richiedendo spesso una chimica complessa o soffrendo di effetti deboli. Recentemente, un nuovo tipo di ordine magnetico chiamato altermagnetismo è emerso come un candidato promettente. A differenza dei magneti ordinari che hanno una forza di attrazione netta, o degli antiferromagneti dove le forze magnetiche si annullano completamente, gli altermagneti hanno una struttura alternata nascosta che separa gli elettroni in base al loro spin senza creare un campo magnetico residuo. Ciò li rende incredibilmente veloci e robusti, ma finora non era chiaro se potessero anche essere commutati da un campo elettrico per creare un dispositivo veramente utile.

Un ricercatore dell'Universidad de Chile ha ora proposto un modello teorico proprio per questo tipo di materiale. Ha costruito un modello matematico semplificato di una griglia bidimensionale di atomi per vedere se fosse possibile forzare la comparsa simultanea di tre comportamenti distinti: un ordine magnetico specifico, una polarizzazione elettrica e un flusso di elettroni polarizzati nello spin. Disponendo gli atomi in un motivo specifico in cui i legami tra essi sono leggermente irregolari, e applicando poi un campo elettrico esterno, il ricercatore ha scoperto che il sistema sviluppa naturalmente tutte e tre le proprietà. La scoperta più sorprendente è che queste proprietà non sono solo presenti contemporaneamente, ma sono dinamicamente intrecciate. Ciò significa che se si usa un campo elettrico per invertire la direzione della polarizzazione elettrica del materiale, la struttura magnetica e il flusso di elettroni sono costretti a riconfigurarsi istantaneamente. Il campo elettrico agisce come un singolo interruttore maestro che controlla l'intero sistema.

Il ricercatore ha costruito il proprio modello su una griglia dove gli elettroni possono saltare tra i siti, ma ha introdotto un colpo di scena: la forza della connessione tra atomi vicini varia secondo un modello ripetitivo, creando una struttura dimerizzata. Ha poi aggiunto interazioni che incoraggiano gli elettroni ad allineare i loro spin e orbitali in un modo specifico e alternato. Quando ha attivato un campo elettrico puntato in una direzione specifica, questo ha rotto la simmetria della griglia, creando un dipolo elettrico permanente. In questo stato, il materiale è diventato un ferroelettrico, capace di trattenere una carica. Fondamentalmente, poiché la struttura magnetica sottostante era già presente, il campo elettrico non ha solo spostato le cariche; ha anche invertito la direzione della polarizzazione dello spin. Il ricercatore ha calcolato che, mentre il campo elettrico veniva fatto oscillare avanti e indietro, la carica e la polarizzazione dello spin si sarebbero invertite insieme, cambiando stato esattamente nello stesso momento. Ciò crea un effetto memoria in cui la storia del campo elettrico determina lo stato magnetico ed elettrico attuale del materiale.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente potente è il meccanismo dietro la commutazione dello spin. In molti materiali tradizionali, controllare il magnetismo con l'elettricità richiede l'accoppiamento spin-orbita, un effetto relativistico che è spesso debole e difficile da sfruttare. In questo modello, la commutazione dello spin avviene puramente grazie al modo in cui gli elettroni si muovono attraverso il reticolo irregolare e l'ordine magnetico stesso. Il ricercatore ha dimostrato che il materiale agisce come un generatore di correnti di spin puro. Quando il campo elettrico cambia nel tempo, esso pompa una corrente di elettroni con una specifica direzione di spin attraverso il materiale senza bisogno di alcun campo magnetico netto o magneti esterni. Questa è una conversione diretta dell'energia elettrica in trasporto di spin, un processo che potrebbe essere la base per una nuova generazione di dispositivi logici. Il modello prevede che questo comportamento sia robusto, il che significa che l'ordine magnetico non viene distrutto dal campo elettrico ma è anzi rinforzato da esso, garantendo la stabilità del dispositivo.

Lo studio ha anche rivelato un dettaglio sottile ma importante su come cambia la forza magnetica. Mentre la polarizzazione elettrica inverte la direzione come un interruttore, la forza dell'ordine magnetico segue un modello diverso, salendo e scendendo leggermente con una forma a farfalla durante l'applicazione del campo. Ciò indica che il campo elettrico non si limita ad accendere e spegnere il magnetismo, ma ne sintonizza sottilmente l'intensità. Il ricercatore suggerisce che questa specifica combinazione di comportamenti — in cui un singolo campo elettrico controlla simultaneamente carica, spin e forza magnetica — potrebbe essere riscontrata in materiali reali, come certi composti bidimensionali di vanadio. Fornendo un quadro chiaro e minimale di come questi effetti emergano, il lavoro offre una guida per gli sperimentatori che intendono sintetizzare questi materiali. L'obiettivo finale è costruire dispositivi che uniscano la velocità e la mancanza di interferenza magnetica dei magneti compensati con le capacità di commutazione a basso consumo dei ferroelettrici, portando potenzialmente a computer più veloci, più piccoli e molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli attualmente disponibili.