Deterministic control of antiferromagnetic domain walls by circular phonons

I materiali magnetici sono da tempo la spina dorsale di come conserviamo le informazioni, dai dischi rigidi nei nostri computer alle carte di credito nei nostri portafogli. Per decenni, gli scienziati si sono concentrati sui ferromagneti, i materiali che compongono i magneti ordinari, perché i loro campi magnetici sono facili da misurare e controllare. Tuttavia, una classe diversa di materiali chiamata antiferromagneti promette una memorizzazione dei dati molto più veloce e densa. In questi materiali, i minuscoli spin magnetici degli atomi puntano in direzioni opposte, annullandosi a vicenda in modo che il materiale non abbia un campo magnetico complessivo. Ciò li rende invisibili ai normali sensori magnetici e incredibilmente difficili da manipolare. La sfida risiede nel controllare i confini tra diverse regioni, o domini, all'interno di questi materiali. Se gli scienziati riuscissero a imparare a muovere questi confini con precisione, potrebbero creare una nuova generazione di dispositivi di memoria che siano sia ultrafast che incredibilmente stabili.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per guidare questi confini invisibili utilizzando le vibrazioni del reticolo cristallino stesso. Lavorando con un minerale stratificato chiamato trisolfuro di manganese fosforo, che è stato leggermente drogato con nichel per rendere la sua struttura interna più facile da vedere, gli scienziati hanno usato impulsi di luce medio-infrarossa per scuotere gli atomi in un particolare schema circolare. Dirigendo questa luce con una specifica torsione, nota come polarizzazione circolare, sono stati in grado di spingere i confini tra i domini magnetici in una direzione o nell'altra. Il risultato è un metodo per commutare deterministicamente lo stato magnetico del materiale, trasformandolo da una configurazione stabile all'altra e viceversa, semplicemente cambiando l'orientamento della luce utilizzata per eccitarlo.

Il materiale che hanno studiato, il trisolfuro di manganese fosforo, è un antiferromagnete di van der Waals, il che significa che è composto da sottili fogli tenuti insieme da forze deboli, proprio come un mazzo di carte. All'interno di ogni foglio, gli atomi magnetici sono disposti in un motivo a nido d'ape. Al di sotto di una certa temperatura, questi atomi si allineano in due gruppi opposti, creando uno stato in cui le forze magnetiche si bilanciano perfettamente. Questo equilibrio crea due stati possibili per il materiale, che sono immagini speculari l'uno dell'altro nel tempo. In un cristallo perfetto, questi stati sarebbero ugualmente probabili, ma nella realtà il materiale è pieno di minuscole difettosità e imperfezioni. Queste imperfezioni agiscono come ancore, bloccando i confini tra le diverse regioni magnetiche in posizione. Questo blocco è solitamente un problema, ma i ricercatori hanno scoperto che è anche la chiave per far funzionare la commutazione.

Per vedere cosa stesse accadendo all'interno del cristallo, il team ha utilizzato una tecnica di imaging speciale che si basa su come la luce rimbalza sul materiale. Poiché la disposizione magnetica rompe certe simmetrie nel cristallo, produce un segnale unico quando colpito da un laser, permettendo ai ricercatori di mappare il pattern labirintico dei domini magnetici. Hanno osservato che i confini tra queste regioni non erano statici; potevano essere mossi. I ricercatori si sono poi rivolti a un laser a elettroni liberi, una potente fonte di luce capace di produrre lunghezze d'onda molto specifiche. Hanno sintonizzato questo laser per corrispondere alla frequenza di vibrazione naturale di un gruppo specifico di atomi all'interno del cristallo, il complesso di fosforo e zolfo. Quando hanno sparato impulsi di luce a questa frequenza, gli atomi hanno iniziato a vibrare.

Il passaggio cruciale era come modellare la luce. Invece di scuotere semplicemente gli atomi avanti e indietro, hanno usato luce polarizzata circolarmente per far muovere gli atomi in un cerchio. Questo ha creato un moto chirale, una rotazione microscopica del reticolo cristallino che ha una direzione specifica, sia in senso orario che antiorario. Questo movimento rotatorio agisce come un campo magnetico, ma uno generato dal movimento degli atomi stessi piuttosto che da correnti elettriche o magneti esterni. I ricercatori hanno scoperto che quando usavano luce che ruotava in una direzione, i confini magnetici si muovevano per espandere un tipo di dominio. Quando cambiavano la luce per farla ruotare nella direzione opposta, i confini si muovevano indietro, restringendo quel dominio ed espandendo l'altro.

Questo processo non è istantaneo. Un singolo impulso di luce non è abbastanza forte da muovere i confini attraverso l'intero campione. Invece, i ricercatori hanno scoperto che l'effetto è cumulativo. Hanno sparato una sequenza di impulsi di luce e, con ogni impulso, il confine si muoveva di un piccolo passo ulteriore, superando la resistenza dei difetti del cristallo che lo tenevano fermo. È simile al dare spinte ripetute e piccole per spingere un oggetto pesante su una collina; ogni spinta lo porta un po' più in alto finché non supera la cima. Nei loro esperimenti, sono stati necessari circa quattro impulsi per costruire un cambiamento significativo nella forma del dominio, creando una protuberanza che si estendeva nella regione vicina. Tuttavia, invertire la direzione della luce era molto più efficiente. Un singolo impulso di luce con la rotazione opposta è stato sufficiente per far collassare la protuberanza e riportare il confine alla sua posizione originale.

I ricercatori hanno confermato che questo effetto non era una fluttuazione casuale ma un risultato diretto dell'interazione della luce con le vibrazioni del cristallo. Hanno testato diverse lunghezze d'onda della luce e hanno scoperto che l'effetto era più forte solo quando la luce corrispondeva alla specifica frequenza delle vibrazioni atomiche circolari. Se usavano una frequenza diversa, i confini non si muovevano. Hanno anche testato il sistema a diverse temperature, scoprendo che il controllo funzionava in modo affidabile da temperature molto basse fino a circa 45 gradi sopra lo zero assoluto. Oltre quel punto, l'energia termica diventava troppo forte e la luce non era più in grado di guidare i confini con la stessa precisione.

Attraverso simulazioni al computer, il team ha modellato come i confini si muovevano attraverso il paesaggio dei difetti cristallini. I modelli hanno mostrato che il movimento circolare degli atomi crea una forza che aiuta il confine a scalare le barriere di energia create dai difetti. Una volta che il confine ha superato un difetto, si blocca nuovamente alla successiva, stabilizzando la nuova posizione. Questo movimento passo dopo passo spiega perché i cambiamenti si accumulano con ogni impulso. Le simulazioni hanno anche riprodotto l'asimmetria osservata nell'esperimento, mostrando che muovere il confine contro la tensione della parete di dominio tesa richiede molti piccoli impulsi, mentre lasciare che torni indietro rilascia la tensione in un unico, rapido movimento.

Questo lavoro dimostra che l'ordine magnetico in questi materiali può essere controllato non da campi magnetici, che sono deboli negli antiferromagneti, ma dalla forma dinamica del reticolo cristallino stesso. I ricercatori hanno dimostrato che, eccitando risonantemente specifiche vibrazioni con luce polarizzata circolarmente, potevano generare un campo efficace che agisce direttamente sull'ordine magnetico. Questo campo è abbastanza forte da superare le forze di blocco dei difetti del cristallo e muovere le pareti dei domini in un modo prevedibile e reversibile. Le scoperte suggeriscono che la chiave per controllare questi materiali risiede non solo nella forza della luce, ma nell'interazione tra il movimento indotto dalla luce e le imperfezioni naturali del cristallo. Comprendendo come questi difetti stabilizzano il movimento, gli scienziati possono potenzialmente ingegnerizzare materiali con risposte su misura, aprendo la porta a nuovi modi per archiviare ed elaborare informazioni utilizzando gli stati magnetici nascosti degli antiferromagneti.