Magnetismo su Misura: Controllare l’Interazione Dzyaloshinskii-Moriya Senza Campi Esterni!

Ciao a tutti! Oggi vi porto in un viaggio affascinante nel mondo della spintronica, quella branca della fisica che sogna di usare lo “spin” degli elettroni, oltre alla loro carica, per creare dispositivi elettronici superveloci ed efficienti. Immaginate memorie e processori che consumano pochissimo e sono incredibilmente performanti. Uno degli ingredienti chiave per realizzare questo sogno è riuscire a controllare la magnetizzazione dei materiali in modo preciso e, possibilmente, senza usare ingombranti campi magnetici esterni. Qui entra in gioco un’interazione un po’ esotica ma potentissima: l’interazione Dzyaloshinskii-Moriya interstrato, o più semplicemente IL-DMI.

Cos’è l’IL-DMI e perché ci interessa?

Pensate a dei materiali fatti a strati sottilissimi, come una lasagna nanotecnologica: uno strato ferromagnetico (come il ferro o leghe speciali), uno strato non magnetico (spesso un metallo pesante come il platino), e poi un altro strato ferromagnetico. L’IL-DMI è una sorta di “dialogo” magnetico che avviene attraverso lo strato non magnetico intermedio. Questa interazione ha una proprietà fantastica: favorisce configurazioni magnetiche “chiraliche”, cioè strutture non allineate in modo banale, come delle piccole spirali o vortici magnetici (gli skyrmioni, ad esempio) o pareti tra domini magnetici con una “torsione” specifica.

Ma la cosa che ci fa brillare gli occhi è che l’IL-DMI può essere la chiave per ottenere lo switching della magnetizzazione senza campo esterno (field-free magnetization switching). In pratica, potremmo invertire lo stato magnetico (da “0” a “1” e viceversa, per intenderci) semplicemente applicando una corrente elettrica, senza bisogno di magneti esterni. Questo semplificherebbe enormemente il design dei dispositivi spintronici.

Il problema? Finora, per “accendere” questa preziosa IL-DMI, bisognava ricorrere a trucchi durante la fabbricazione dei materiali: o depositare gli strati in presenza di un campo magnetico inclinato, oppure creare campioni con spessori variabili (a cuneo). Metodi poco pratici per una produzione su larga scala.

La nostra sfida: L10-FePt/Pt/Fe e il mistero dell’IL-DMI assente

Nel nostro lavoro, abbiamo deciso di affrontare il problema usando un sistema molto promettente: multistrati composti da L10-FePt/Pt/Fe. La lega L10-FePt è fantastica perché ha una stabilità magnetica altissima e un’anisotropia magnetica perpendicolare (PMA) molto forte, cioè tende a magnetizzarsi spontaneamente in direzione perpendicolare al piano del film. L’idea era: mettendo insieme FePt (con forte PMA) e Fe (con anisotropia diversa, più nel piano), separati da un sottile strato di Platino (Pt), dovremmo avere le condizioni ideali per l’IL-DMI, giusto?

Abbiamo quindi preparato questi multistrati con tecniche standard (magnetron sputtering), senza applicare nessun campo magnetico o trucco speciale durante la crescita. Poi siamo andati a misurare. Abbiamo usato tecniche sofisticate come la riflettometria di neutroni polarizzati (PNR) per “vedere” come erano orientati i momenti magnetici nei singoli strati. La PNR ci ha confermato che, come previsto, lo strato di FePt era magnetizzato prevalentemente fuori dal piano, mentre quello di Fe aveva una magnetizzazione più inclinata. C’era una chiara differenza di anisotropia tra i due strati magnetici!

Eppure, quando abbiamo misurato l’IL-DMI usando l’effetto Hall anomalo (AHE) in presenza di un campo magnetico nel piano, la sorpresa: l’IL-DMI era praticamente inesistente nei campioni “così come preparati” (as-prepared). Sembrava un controsenso: le condizioni teoriche c’erano, ma l’interazione non si manifestava.

La svolta: Generare e controllare l’IL-DMI “a comando”

Qui è arrivata l’idea brillante: e se potessimo “attivare” l’IL-DMI dopo aver fabbricato il dispositivo? Abbiamo provato un metodo di “post-processing”. Abbiamo preso i nostri dispositivi (modellati a forma di barre di Hall per le misure elettriche) e li abbiamo sottoposti a un trattamento speciale:

1. Abbiamo applicato un campo magnetico esterno abbastanza forte, ma inclinato rispetto al piano del campione (ad esempio, a 30° rispetto all’asse x).
2. Mentre il campo era applicato, abbiamo fatto passare attraverso la barra di Hall degli impulsi di corrente elettrica di grande intensità.

Il risultato? Spettacolare! Dopo questo trattamento, siamo andati a rimisurare l’IL-DMI con la tecnica AHE loop-shift. Ed eccola lì: un’interazione IL-DMI significativa era comparsa! Lo spostamento dei cicli di isteresi AHE era evidente e mostrava la tipica dipendenza sinusoidale dall’angolo del campo nel piano, segno inequivocabile della presenza dell’IL-DMI.

Ma la cosa ancora più incredibile è che siamo riusciti a controllare la direzione di questa IL-DMI. Ripetendo il processo di attivazione, ma inclinando il campo magnetico iniziale nella direzione opposta (ad esempio, a -30°), abbiamo osservato che l’IL-DMI generata aveva una “polarità” invertita! Questo significa che non solo possiamo generare l’IL-DMI a comando, ma possiamo anche deciderne la direzione, semplicemente scegliendo l’orientamento del campo magnetico durante l’applicazione degli impulsi di corrente.

Abbiamo anche studiato come l’intensità dell’IL-DMI dipendesse dallo spessore dello strato intermedio di Platino (Pt). Abbiamo scoperto che l’effetto era massimo per uno spessore di 1.5 nanometri. Se il Pt era troppo sottile (0.5 nm) o troppo spesso (3 nm), l’IL-DMI indotta era molto più debole o assente.

Finalmente: Switching Magnetico Senza Campo Esterno!

A cosa serve avere un’IL-DMI controllabile? Beh, come dicevamo all’inizio, serve a realizzare il sogno dello switching della magnetizzazione senza campo esterno. E infatti, nei campioni in cui avevamo generato con successo l’IL-DMI (specialmente quelli con 1.5 nm di Pt), siamo riusciti a invertire la magnetizzazione dello strato di FePt semplicemente applicando impulsi di corrente lungo la barra di Hall, senza alcun campo magnetico esterno!

Nei campioni “as-prepared” (senza IL-DMI), questo switching senza campo non avveniva. Invece, dopo il nostro trattamento di “attivazione”, abbiamo osservato chiari cicli di switching, con un rapporto di cambiamento della resistenza Hall fino al 21% nel caso migliore (Pt=1.5 nm). La polarità dello switching (cioè se la magnetizzazione si inverte con corrente positiva o negativa) dipendeva dalla direzione dell’IL-DMI che avevamo “impresso” in precedenza, confermando il legame diretto tra le due cose.

Per visualizzare questo processo, abbiamo usato la microscopia Kerr magneto-ottica (MOKE). Le immagini MOKE ci hanno mostrato come, applicando impulsi di corrente di ampiezza crescente, si formassero dei “nuclei” di magnetizzazione invertita che poi si espandevano, fino a invertire completamente lo stato magnetico dell’area osservata. Il tutto, ripeto, a campo magnetico zero.

Perché funziona? L’ipotesi delle interfacce “risvegliate”

Ma qual è il meccanismo dietro questa attivazione controllabile dell’IL-DMI? La nostra ipotesi, supportata anche da calcoli teorici basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT), riguarda lo stato delle interfacce tra gli strati magnetici (FePt e Fe) e lo strato non magnetico (Pt).

Nei campioni “as-prepared”, anche se la struttura cristallina è buona, è probabile che gli spin magnetici proprio all’interfaccia siano orientati in modo piuttosto disordinato, quasi casuale. Questo disordine “soffoca” l’interazione IL-DMI, anche se le proprietà medie degli strati (come l’anisotropia) sarebbero favorevoli.

Quando applichiamo gli impulsi di corrente intensa in presenza di un campo magnetico inclinato, succedono due cose:

• L’effetto Joule (riscaldamento dovuto alla corrente) “smobilita” un po’ gli spin all’interfaccia.
• Il campo magnetico inclinato e i campi efficaci generati dalla corrente stessa (legati agli effetti di coppia spin-orbita, SOT) forniscono una direzione preferenziale.

Il risultato è che gli spin all’interfaccia si riallineano in modo ordinato, seguendo la direzione imposta dal campo inclinato durante il trattamento. Una volta che questa configurazione ordinata all’interfaccia è “congelata”, l’IL-DMI può manifestarsi in tutta la sua forza. La direzione del campo inclinato determina l’orientamento specifico di questo ordine interfacciale, e quindi la direzione (“polarità”) dell’IL-DMI risultante. È come se avessimo “programmato” l’interfaccia!

I calcoli DFT hanno confermato che un’interfaccia con atomi leggermente spostati (per simulare un certo ordine indotto) genera un’IL-DMI molto più forte rispetto a un’interfaccia più “ideale” o disordinata.

Conclusioni e Prospettive Future

Questa scoperta è davvero entusiasmante! Abbiamo dimostrato che è possibile generare e controllare l’interazione IL-DMI in multistrati L10-FePt/Pt/Fe usando un metodo di post-processing, senza bisogno di condizioni di crescita particolari. Questo controllo ci ha permesso di ottenere un efficiente switching della magnetizzazione senza campo esterno, un passo fondamentale per lo sviluppo di futuri dispositivi spintronici.

La capacità di “scrivere” e persino “invertire” la direzione dell’IL-DMI apre la strada a nuove architetture per memorie magnetiche (MRAM), sensori e persino logica basata sullo spin. Poter controllare questa interazione fondamentale a livello di interfaccia ci dà uno strumento in più per progettare i materiali magnetici del futuro. C’è ancora tanto da studiare per capire appieno tutti i dettagli del meccanismo, ma la strada è aperta e promette grandi cose!

Fonte: Springer