Skyrmioni su Misura: Come il Tellurio Rende il Cu2OSeO3 Più Stabile!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo quantistico dei materiali magnetici. Parleremo di oggetti quasi magici chiamati skyrmioni magnetici e di come siamo riusciti a renderli più “comodi” e stabili in un materiale molto speciale, il Cu2OSeO3, semplicemente aggiungendo un pizzico di Tellurio (Te). Sembra fantascienza? Seguitemi, vi mostro com’è andata!

Cosa sono questi Skyrmioni e perché ci interessano?

Immaginate gli spin degli elettroni in un materiale magnetico come minuscole freccette. Di solito, si allineano tutti insieme (ferromagnetismo) o in direzioni opposte (antiferromagnetismo). Gli skyrmioni, invece, sono come piccoli vortici o nodi fatti da queste freccette, configurazioni super stabili e protette da leggi della fisica chiamate “topologia”. Pensateli come minuscoli tornado magnetici, grandi solo pochi nanometri!

La loro scoperta, poco più di dieci anni fa nel MnSi, ha scatenato un putiferio nella comunità scientifica. Perché? Perché questi skyrmioni potrebbero essere i mattoncini fondamentali per la prossima generazione di memorie per computer e dispositivi spintronici (l’elettronica che usa lo spin, non solo la carica). Immaginate memorie “racetrack” dove gli skyrmioni sfrecciano come macchinine, portando informazioni: super veloci e a basso consumo energetico!

Il nostro protagonista: Cu2OSeO3, un materiale unico

Tra i materiali che ospitano skyrmioni, il Cu2OSeO3 (ossiseleniuro di rame) è una vera star. Appartiene alla famiglia dei “magneti chirali B20”, materiali con una struttura cristallina un po’ “storta” (non centrosimmetrica, gruppo spaziale P213) che permette un’interazione fondamentale chiamata interazione di Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). È proprio la competizione tra questa DMI, l’interazione di scambio simmetrica (SEI, quella che tende ad allineare gli spin) e le anisotropie (preferenze di direzione) che fa nascere gli skyrmioni e altre fasi magnetiche complesse (elicoidale, conica…).

Ma il Cu2OSeO3 ha un asso nella manica: è un isolante elettrico e multiferroico (accoppia proprietà magnetiche ed elettriche). Questo lo rende super interessante per le applicazioni, perché potremmo controllare gli skyrmioni con campi elettrici invece che con correnti, evitando problemi di surriscaldamento (effetto Joule).

L’esperimento: Aggiungiamo un po’ di Tellurio!

La domanda che ci siamo posti è stata: cosa succede se modifichiamo leggermente la chimica del Cu2OSeO3? Se sostituiamo alcuni atomi di Selenio (Se) con atomi di Tellurio (Te), che è simile ma un po’ più “ingombrante”? L’idea era che cambiando la struttura, avremmo potuto influenzare le delicate interazioni magnetiche e, magari, la stabilità degli skyrmioni.

Abbiamo quindi sintetizzato campioni di Cu2OSe1−xTexO3 con diverse quantità di Tellurio (x fino a 0.1, cioè il 10%). La prima cosa che abbiamo verificato, usando la diffrazione di raggi X da sincrotrone (pXRD), è che il Tellurio entrava effettivamente nella struttura al posto del Selenio e che, come previsto, la cella elementare del cristallo si espandeva leggermente per fargli spazio. Abbiamo anche visto che con troppo Tellurio (oltre il 10%) iniziava a formarsi un’impurità (Cu3TeO6), quindi ci siamo concentrati sui campioni con meno Te.

Analizzando le distanze tra gli atomi di Rame (Cu), che sono quelli che portano il magnetismo, abbiamo notato che l’espansione del reticolo allungava la maggior parte delle distanze Cu-Cu, influenzando potenzialmente la forza delle interazioni magnetiche.

Guardare dentro con i Neutroni: SANS alla riscossa

Per “vedere” direttamente le diverse fasi magnetiche (elicoidale, conica, skyrmioni) abbiamo usato una tecnica potentissima: lo scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS). I neutroni sono sensibili ai momenti magnetici e ci permettono di ottenere delle “fotografie” delle strutture magnetiche.

Nei campioni policristallini come i nostri, le diverse fasi danno pattern caratteristici sul rivelatore:

• Fase Elicoidale (HM): A campo magnetico zero, sotto una certa temperatura (TC), gli spin si organizzano in eliche. Sul rivelatore vediamo un anello uniforme, perché i cristallini sono orientati a caso.
• Fase Conica: Applicando un campo magnetico, le eliche si allineano lungo il campo. Se il campo è perpendicolare al fascio di neutroni, vediamo due picchi intensi orizzontali.
• Fase Skyrmionica (SkL): In una specifica finestra di temperatura e campo, si formano i nostri vortici! Sul rivelatore appaiono due picchi verticali, perpendicolari a quelli conici. A volte si vedono tutti e quattro i picchi insieme, segno che le due fasi coesistono.

Cosa abbiamo scoperto con il SANS?
Prima di tutto, che anche con il Tellurio, il materiale mantiene la sua natura elimagnetica: abbiamo visto tutti i pattern attesi! Ma la cosa più interessante è stata osservare gli effetti del drogaggio:

• La temperatura critica (TC), sotto cui appare l’ordine magnetico, si abbassava con l’aumentare del Tellurio.
• La fase conica appariva a temperature leggermente più basse e la sua intensità era un po’ soppressa.
• La regione di stabilità degli skyrmioni si spostava a temperature più basse e diventava significativamente più ampia! Nel campione con più Tellurio (x=0.1), gli skyrmioni erano stabili tra 50 e 56 K, mentre nel Cu2OSeO3 puro erano confinati tra 55 e 57.5 K. Un bel guadagno!

L’intensità del segnale skyrmionico era un po’ più bassa nei campioni drogati, probabilmente a causa della distorsione strutturale indotta dal Te, ma la loro “casa” si era decisamente allargata.

Misure Magnetiche e Comportamento Critico: Il mistero si infittisce

Per capire meglio le interazioni in gioco, abbiamo fatto misure di magnetizzazione molto precise usando uno SQUID. Abbiamo misurato come la magnetizzazione cambia con la temperatura e con il campo magnetico.

Queste misure hanno confermato i risultati del SANS: le temperature critiche (sia quella della transizione Paramagnetico -> Disordine Fluttuante, TC, sia quella Disordine Fluttuante -> Elicoidale, T’C) diminuivano con il drogaggio di Te. Inoltre, costruendo i diagrammi di fase magnetica, abbiamo visto chiaramente l’espansione della regione skyrmionica sia in temperatura che in campo magnetico, in perfetto accordo con il SANS.

Poi ci siamo concentrati sul come avviene la transizione vicino a TC. In fisica, le transizioni di fase continue sono descritte da “leggi di scala” universali, caratterizzate da esponenti critici (β, γ, δ…). Questi esponenti dipendono solo da caratteristiche generali come la simmetria del sistema. Nel Cu2OSeO3 si era già visto un comportamento affascinante: sopra TC il sistema si comporta come un modello di Heisenberg (spin più “liberi”), mentre appena sotto TC si comporta come un modello di Ising (spin più “vincolati” lungo un asse). Una transizione di universalità!

Abbiamo usato un metodo di analisi avanzato che abbiamo sviluppato, chiamato Heatmap-Modified Iteration Method (HMIM), per estrarre questi esponenti critici dai nostri dati di magnetizzazione. E qui la sorpresa: nonostante l’espansione del reticolo e i cambiamenti nelle temperature critiche, la transizione di universalità da Heisenberg a Ising è risultata robusta! Non è cambiata significativamente con il drogaggio di Tellurio.

Mettere insieme i pezzi: DMI, SEI e Anisotropia

Se la natura fondamentale della transizione non cambia, allora perché la regione degli skyrmioni si espande così tanto? La risposta doveva trovarsi nelle forze microscopiche in gioco: l’interazione di scambio simmetrica (SEI), l’interazione di Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) e l’anisotropia magnetocristallina (MCA).

Analizzando i campi magnetici critici a bassa temperatura (HC1, che separa la fase elicoidale da quella conica, e HC2, che separa la conica da quella polarizzata dal campo), possiamo stimare come cambiano queste interazioni. HC1 è legato all’anisotropia (K), mentre HC2 è legato al rapporto D²/J (dove D è la forza della DMI e J quella della SEI).

I risultati sono stati illuminanti! Confrontando il Cu2OSeO3 puro con quello drogato al 10% di Te:

• Il campo HC1 è rimasto quasi invariato (-0.6%): l’anisotropia (MCA) non cambia molto.
• La temperatura T’C è diminuita del 2.4%: questo corrisponde a una riduzione della forza dello scambio (SEI).
• Il campo HC2 è diminuito significativamente! Questo, combinato con la diminuzione di T’C, indica una riduzione della forza della DMI di circa il 9.5%!

Quindi, il Tellurio indebolisce sia SEI che DMI, ma indebolisce molto di più la DMI rispetto alla SEI. Questo cambia l’equilibrio tra le forze in gioco. Ricordate che il periodo dell’elica magnetica (e la dimensione degli skyrmioni) dipende dal rapporto J/D. Se D diminuisce più di J, questo rapporto aumenta, cosa che avevamo già intravisto in studi precedenti con microscopia elettronica.

Ma soprattutto, la stabilità termodinamica degli skyrmioni dipende da un complesso bilancio tra J, D, K e la dimensione della cella (a). Usando un approccio fenomenologico, la diminuzione relativa più forte della DMI rispetto a SEI e MCA, nonostante l’aumento di ‘a’, porta proprio a un’espansione della finestra di stabilità degli skyrmioni. I nostri calcoli basati su questo approccio prevedevano un aumento della larghezza della regione skyrmionica del 17.7%, mentre sperimentalmente abbiamo visto un aumento ancora maggiore (dal 40% al 90% a seconda della tecnica usata)! Questo suggerisce che il modello semplice cattura la fisica essenziale, ma ci sono forse dettagli più sottili ancora da capire.

Conclusioni e Prospettive Future

Insomma, cosa abbiamo imparato? Aggiungendo Tellurio al Cu2OSeO3, abbiamo “gonfiato” un po’ la sua struttura cristallina. Questo piccolo cambiamento ha avuto effetti notevoli: ha abbassato le temperature delle transizioni magnetiche e, soprattutto, ha reso gli skyrmioni magneticamente più stabili, allargando la finestra di temperatura e campo in cui possono esistere.

Abbiamo capito che questo succede perché il Tellurio indebolisce sia l’interazione di scambio (SEI) sia l’interazione di Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), ma quest’ultima in modo più marcato, mentre l’anisotropia (MCA) resta quasi invariata. È questo nuovo bilanciamento di forze che favorisce gli skyrmioni. Curiosamente, la natura fondamentale della transizione di fase (il passaggio da comportamento tipo Heisenberg a tipo Ising) rimane invece invariata.

Questi risultati sono entusiasmanti! Dimostrano che possiamo “ingegnerizzare” le proprietà magnetiche di questi materiali, e in particolare la stabilità degli skyrmioni, attraverso il drogaggio chimico. Questo apre strade per progettare materiali su misura per future applicazioni spintroniche. E il nostro metodo HMIM si è dimostrato uno strumento potente e robusto per analizzare questi complessi comportamenti critici. La caccia a materiali ancora migliori per controllare i vortici magnetici continua!

Fonte: Springer