Quello che Louis Néel, premio Nobel per la fisica, aveva liquidato come "inutile" nella sua celebre lectio magistralis potrebbe invece rivoluzionare il futuro della tecnologia magnetica. I materiali antiferromagnetici, per decenni considerati poco interessanti per le applicazioni pratiche a causa della loro mancanza di magnetizzazione netta, stanno vivendo una seconda giovinezza grazie alla scoperta di una nuova categoria di ordine magnetico: l'altermagnetismo. Questa particolare configurazione magnetica combina le caratteristiche degli antiferromagneti con proprietà tipiche dei ferromagneti, aprendo scenari inediti per lo sviluppo di dispositivi spintronici avanzati.
La sfida dell'osservazione diretta nella materia
Un team internazionale guidato da Claire Donnelly del Max Planck Institute ha superato uno degli ostacoli principali nella ricerca sull'altermagnetismo: l'osservazione diretta di questi fenomeni nel volume del materiale, non solo sulla sua superficie. Utilizzando la microscopia a trasmissione a raggi X con risoluzione nanometrica, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a visualizzare domini altermagnetici in campioni massivi di tellurio di manganese (MnTe), confermando che questo ordine magnetico non è confinato agli strati superficiali ma permea l'intera struttura cristallina.
La tecnica impiegata presso la linea di luce MAXYMUS del sincrotrone BESSY-II di Berlino ha permesso di focalizzare raggi X polarizzati circolarmente su aree di dimensioni nanometriche. Il segnale trasmesso, misurato per diverse polarizzazioni, ha rivelato il cosiddetto "dicroismo magnetico circolare dei raggi X", un fenomeno che negli altermagnetici si manifesta nonostante l'ordine antiferromagnetico, contrariamente a quanto accade negli antiferromagneti tradizionali.
Nanostrutture topologiche inaspettate
Rikako Yamamoto, ricercatore postdoc e primo autore dello studio pubblicato su Physical Review Applied, spiega come i risultati abbiano finalmente allineato teoria e osperimentazione. "Nelle misurazioni precedenti pubblicate dai nostri colleghi, il dicroismo dei raggi X misurato era significativamente più debole di quanto previsto dalla teoria", afferma Yamamoto. "Quando abbiamo confrontato i nostri risultati, abbiamo visto che l'intensità del segnale corrispondeva quasi perfettamente alla teoria, permettendoci di confermare che il volume del nostro campione è altermagnetico".
Le immagini ottenute hanno rivelato non solo regioni chiare e scure corrispondenti a diverse orientazioni dell'ordine altermagnetico, ma anche strutture topologiche complesse su scala nanometrica. Tra queste figurano pareti di dominio e texture simili a vortici, caratteristiche che suggeriscono la presenza di configurazioni magnetiche topologicamente protette. "Il fatto che tali strutture potessero essere osservate in cristalli singoli cresciuti naturalmente è stato sorprendente", continua Yamamoto, sottolineando come questa scoperta apra nuove prospettive per l'esplorazione di texture magnetiche topologiche.
Verso una nuova era della spintronica
Marcus Schmidt, scienziato del Max Planck Institute responsabile della crescita del cristallo singolo di MnTe, evidenzia l'importanza metodologica della ricerca: "Il fatto che ora possiamo coltivare questi materiali e sondare direttamente il loro ordine altermagnetico su scala nanometrica con i raggi X è molto emozionante". La capacità di visualizzare direttamente l'altermagnetismo nel volume del materiale rappresenta un passo fondamentale per comprendere come queste proprietà si manifestino attraverso l'intera struttura cristallina, non limitandosi agli effetti superficiali studiati finora.
Questo approccio sperimentale stabilisce la nanoimaging a trasmissione a raggi X come metodo potente per identificare l'ordine altermagnetico e può essere applicato a numerosi altri candidati altermagnetici previsti dai teorici. La combinazione tra ordine antiferromagnetico robusto e effetti spintronici tipici dei ferromagneti promette di superare le limitazioni tradizionali di entrambe le categorie magnetiche, offrendo materiali con dinamiche ultraveloci ma difficili da rilevare e manipolare elettricamente.
La ricerca dimostra come l'altermagnetismo non sia solo una curiosità teorica, ma un fenomeno fisico concreto osservabile nel volume dei materiali, con implicazioni significative per il futuro sviluppo di tecnologie magnetiche avanzate. La possibilità di combinare la stabilità degli antiferromagneti con la manipolabilità dei ferromagneti potrebbe rivoluzionare settori che spaziano dalla raccolta di energia alla elaborazione dati, ribaltando definitivamente il giudizio di "inutilità" espresso dal loro scopritore.