Exchange striction determines how fast antiferromagnetic insulators demagnetize
Questo studio identifica la contrazione di scambio — la sensibilità dell'accoppiamento di scambio agli spostamenti atomici — come il parametro materiale chiave che determina la velocità di demagnetizzazione ultrafast degli isolanti antiferromagnetici, consentendo la previsione e lo screening di materiali candidati per applicazioni di memoria ad alta velocità.
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Nel mondo dei magneti, esiste una regola fondamentale che governa la velocità con cui un materiale può essere spento. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che quando si colpisce un magnete con un impulso laser, il suo ordine interno può svanire in un battito di ciglia. Questo processo, chiamato smagnetizzazione, è la chiave per realizzare computer più veloci e memorie dati più efficienti. Tuttavia, la velocità con cui ciò avviene dipende fortemente da ciò di cui è fatto il magnete. Nei metalli, il processo è incredibilmente veloce perché gli elettroni possono trasportare facilmente l'energia e lo "spin" degli atomi. Ma negli isolanti — materiali che non conducono elettricità, come molti ceramici e cristalli — gli elettroni sono bloccati sul posto. Non possono trasportare l'energia via, quindi il calore deve essere trasferito attraverso la struttura rigida del materiale stesso. Questo crea un collo di bottiglia. Per molto tempo, i ricercatori hanno osservato diversi magneti isolanti sciogliere il loro ordine magnetico a velocità wildy differenti, che vanno da pochi trilionesimi di secondo a alcuni miliardi di secondi, senza capire perché alcuni siano molto più veloci di altri.
Un team di ricercatori ha ora risolto questo mistero osservando due cristalli specifici: l'ossido di cromo e il borato di ferro. Entrambi sono magneti isolanti che appaiono molto simili al microscopio, condividendo la stessa struttura cristallina di base e lo stesso tipo di ordinamento magnetico. Eppure, quando colpiti da un impulso laser ultrafast, si comportano in modo completamente diverso. L'ossido di cromo perde il suo ordine magnetico in meno di due trilionesimi di secondo. Il borato di ferro, situato proprio accanto ad esso nella tavola periodica dei materiali, impiega più di cento volte tanto per fare la stessa cosa. I ricercatori hanno scoperto che il segreto risiede in quanto strettamente siano impacchettati gli atomi e in come le forze magnetiche tra di essi reagiscano quando gli atomi vibrano.
Il team ha utilizzato una tecnica chiamata generazione di seconda armonica, che agisce come una telecamera ad alta velocità per i campi magnetici, per osservare il cristallo di ossido di cromo mentre veniva riscaldato da un impulso laser. Hanno osservato che, una volta che il reticolo cristallino è stato riscaldato oltre una specifica temperatura, l'ordine magnetico è collassato quasi istantaneamente. Per capire perché questo sia accaduto così velocemente, si sono rivolti a simulazioni al computer che modellavano il movimento di ogni singolo atomo e spin nel materiale. Queste simulazioni hanno rivelato che la velocità di smagnetizzazione è controllata da un meccanismo chiamato contrazione di scambio (exchange striction). Questo è un modo elaborato per descrivere come la forza magnetica tra due atomi cambi quando la distanza tra di essi si sposta anche solo leggermente.
Nel cristallo di ossido di cromo, gli atomi magnetici sono impacchettati molto vicini tra loro. Poiché sono così vicini, la forza magnetica tra di loro è estremamente sensibile a minimi movimenti. Quando il laser riscalda il cristallo, gli atomi vibrano e, poiché la forza magnetica è così sensibile a queste vibrazioni, l'energia fluisce rapidamente dagli atomi vibranti verso gli spin magnetici, sconvolgendo l'ordine. Nel cristallo di borato di ferro, gli atomi magnetici sono separati da altri atomi, rendendo la connessione più simile a una catena lunga e lenta. La forza magnetica lì è molto meno sensibile al movimento, quindi l'energia fluisce molto più lentamente. I ricercatori hanno scoperto che la forza magnetica dell'ossido di cromo è circa dieci volte più sensibile al movimento atomico rispetto a quella del borato di ferro. Questa differenza, combinata con il fatto che le vibrazioni nell'ossido di cromo possono rompersi più facilmente in coppie di onde magnetiche, crea una tempesta perfetta che permette al materiale di perdere il magnetismo a velocità record.
Lo studio conferma che il limite di velocità per questi magneti isolanti non è una proprietà fissa del tipo di materiale, ma una caratteristica calcolabile basata su come sono disposti gli atomi. Misurando quanto cambia la forza magnetica quando gli atomi si muovono, gli scienziati possono ora prevedere quanto velocemente un nuovo materiale si smagnetizzerà prima ancora di costruirlo. Questa scoperta apre una via pratica per progettare la prossima generazione di dispositivi di memoria ultrafast. Invece di indovinare quali materiali potrebbero funzionare, gli ingegneri possono ora guardare la struttura atomica e calcolare la velocità, selezionando solo quelli con le connessioni atomiche più strette e sensibili per costruire dispositivi che operino al limite estremo delle possibilità fisiche.
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