La capacità di controllare il comportamento magnetico dei materiali a livello atomico rappresenta oggi una delle frontiere più promettenti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche e sistemi di archiviazione dati ad altissima densità. Un gruppo di ricercatori della Florida State University ha compiuto un passo significativo in questa direzione, creando in laboratorio un materiale cristallino che esibisce spontaneamente complesse strutture magnetiche a spirale, note come texture di spin cicloidi simili agli skyrmion. La scoperta, pubblicata sul Journal of the American Chemical Society, dimostra come sia possibile progettare intenzionalmente nuovi materiali magnetici anziché limitarsi a cercarli tra quelli già esistenti, aprendo scenari inediti per l'ingegneria dei materiali funzionali.
Il punto di partenza della ricerca è un concetto apparentemente controintuitivo: invece di combinare elementi chimicamente complementari, il team guidato da Michael Shatruk, professore nel Dipartimento di Chimica e Biochimica della FSU, ha deliberatamente mescolato due composti quasi identici dal punto di vista della composizione ma radicalmente diversi nella struttura cristallina. Il primo conteneva manganese, cobalto e germanio, il secondo manganese, cobalto e arsenico. Germanio e arsenico occupano posizioni contigue nella tavola periodica, rendendo i due materiali chimicamente affini ma caratterizzati da simmetrie cristalline incompatibili tra loro.
Questa scelta apparentemente paradossale si basa su un principio fondamentale della fisica dello stato solido: la frustrazione strutturale. Quando due reticoli cristallini con geometrie inconciliabili tentano di coesistere, nessuno dei due può prevalere completamente, generando instabilità all'interfaccia. Il team ha ipotizzato che questa tensione strutturale potesse tradursi in una corrispondente frustrazione magnetica, costringendo gli spin atomici a organizzarsi in configurazioni complesse piuttosto che allinearsi semplicemente in modo parallelo o antiparallelo, come avviene nei materiali magnetici convenzionali.
A livello microscopico, il magnetismo ha origine dalla proprietà quantistica dello spin: ogni atomo si comporta come un minuscolo ago magnetico orientato in una direzione specifica dello spazio. Nei magneti ordinari, questi spin si dispongono in schemi regolari e prevedibili, tutti puntando nella stessa direzione o alternandosi in direzioni opposte. Nel materiale sintetizzato dal gruppo FSU, invece, gli spin si organizzano in vortici che si ripetono periodicamente attraverso il cristallo, creando quelle che i fisici chiamano texture di spin non banali.
Per mappare con precisione la struttura magnetica tridimensionale del nuovo materiale, i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione di neutroni su cristallo singolo, tecnica eseguita presso lo strumento TOPAZ della Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory. Questa facility del Department of Energy statunitense rappresenta uno dei pochi luoghi al mondo dove sia possibile analizzare strutture magnetiche così complesse con risoluzione atomica. Come ha spiegato Xiaoping Wang, scienziato esperto in scattering di neutroni presso l'ORNL, l'integrazione di nuovi strumenti di riduzione dati basati su machine learning ha permesso di risolvere strutture magnetiche di complessità senza precedenti, aprendo la strada alla progettazione intenzionale di texture di spin ottimizzate per specifiche applicazioni tecnologiche.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta si estendono su diversi fronti. Gli skyrmion e le texture di spin simili sono attivamente studiati per lo sviluppo di hard disk di nuova generazione capaci di immagazzinare quantità di informazione enormemente superiori negli stessi spazi fisici dei dispositivi attuali. Queste strutture magnetiche topologicamente protette possono inoltre essere spostate applicando correnti elettriche minime, riducendo drasticamente il consumo energetico dei sistemi di memoria. In infrastrutture di calcolo su larga scala dotate di migliaia di processori, anche guadagni apparentemente modesti nell'efficienza energetica si traducono in risparmi sostanziali sui costi operativi di elettricità e raffreddamento.
Ma le prospettive più ambiziose riguardano l'informatica quantistica tollerante ai guasti. I sistemi quantistici sono notoriamente fragili, vulnerabili a qualsiasi forma di rumore ambientale che può distruggere l'informazione quantistica. Materiali con texture di spin topologicamente stabili potrebbero fornire meccanismi fisici per proteggere i qubit, le unità fondamentali dell'informazione quantistica, rappresentando un passo verso il cosiddetto "Santo Graal" dell'elaborazione quantistica: computer in grado di operare in modo affidabile nonostante errori e disturbi inevitabili.
L'aspetto metodologicamente più innovativo dello studio risiede nell'approccio progettuale piuttosto che esplorativo. Tradizionalmente, la ricerca di materiali con proprietà magnetiche esotiche procedeva per tentativi, esaminando composti noti uno alla volta per verificare se manifestassero spontaneamente le configurazioni di spin desiderate. Ian Campbell, studente di dottorato nel laboratorio di Shatruk e co-autore dello studio, ha sottolineato come questo paradigma limitasse drasticamente il ventaglio di possibilità. Il nuovo metodo invece cerca di sviluppare una capacità predittiva: identificare a priori quali combinazioni di strutture cristalline produrranno specifiche texture magnetiche, permettendo la sintesi di materiali completamente inediti con proprietà definite fin dalla fase di progettazione.
Questo cambio di prospettiva riflette un approccio autenticamente chimico al problema, come evidenziato da Shatruk: comprendere come l'equilibrio e la competizione tra diverse strutture cristalline si propaghi alle relazioni tra gli spin atomici, traducendo principi di simmetria e frustrazione geometrica in fenomeni magnetici controllabili. La strategia potrebbe inoltre rendere più accessibili le tecnologie basate su skyrmion, ampliando la gamma di elementi chimici utilizzabili per sintetizzare questi materiali, facilitandone la crescita cristallina, riducendo i costi di produzione e diversificando le catene di approvvigionamento.
La ricerca è stata resa possibile dalla collaborazione tra diverse istituzioni internazionali. Oltre al gruppo della FSU, hanno contribuito ricercatori dell'European Synchrotron Radiation Facility, della University of Science and Technology Beijing e della RWTH Aachen University in Germania. Campbell ha condotto parte del lavoro sperimentale all'Oak Ridge National Laboratory attraverso una fellowship della FSU, esperienza che si è rivelata determinante per stabilire collaborazioni con gli scienziati del laboratorio nazionale e accedere a strumentazione altrimenti non disponibile. La Florida State University è membro fondatore dell'Oak Ridge Associated Universities dal 1951 e mantiene uno status di partner universitario privilegiato dell'ORNL, facilitando l'accesso di docenti, ricercatori postdoc e studenti di dottorato alle facility federali.
Il finanziamento della ricerca è stato fornito dalla National Science Foundation. Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando le infrastrutture della Florida State University e dell'Oak Ridge National Laboratory. Il prossimo obiettivo del gruppo è raffinare ulteriormente la capacità predittiva del modello, individuando con maggiore precisione quali combinazioni di elementi chimici e simmetrie cristalline produrranno texture di spin ottimali per specifiche applicazioni, trasformando la scoperta fortuita di materiali funzionali in un processo di ingegneria razionale.
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