La spintronica e altre tecnologie per i nuovi computer

Come in un’indagine, dagli indizi alla prova
La storia di questa indagine comincia qualche anno fa, nel 2019, quando Tomás Jungwirth dell’istituto di fisica dell’Accademia delle scienze Ceca e principal investigator dello studio su Nature, assieme ai suoi colleghi teorici identifica una nuova classe di materiali con una particolarità: si comportano in maniera strana dal punto di vista magnetico. Strana nel senso che non rientra nelle classiche descrizioni di ferromagnetismo o antiferromagnetismo fino a quel momento note. Deve trattarsi di qualcosa di nuovo a cui viene dato il nome di altermagnetismo. Inoltre i fisici cechi intuiscono che è qualcosa che ha a che vedere con la struttura degli spin di questi materiali, il vero cuore della scoperta e una cosa piuttosto tecnica su cui torneremo fra un attimo.
Come racconta Jungwirth, «questa è la magia degli altermagneti. Qualcosa che si credeva fosse impossibile finché le recenti previsioni teoriche non hanno mostrato, invece, il contrario». D’altra parte, le opportunità offerte dalle possibili applicazioni dell’altermagnetismo apparivano talmente eccitanti che valeva la pena continuare la ricerca. E così è stato, tant’è che nel 2022 i fisici pubblicano le loro previsioni sull’esistenza dell’altermagnetismo perché, nel frattempo, hanno scoperto più di 200 possibili materiali altermagnetici di ogni genere: dagli isolanti ai semiconduttori, dai metalli fino ai superconduttori. Curiosamente, molti di questi materiali erano ben noti e ampiamente studiati in passato senza che nessuno, però, avesse notato questa loro natura altermagnetica. E tuttavia, si trattava solo di teoria e indizi. Ciò che ancora mancava era la classica pistola fumante che, nel caso della ricerca scientifica, vuol dire la conferma sperimentale. Fino a oggi e alla prima misurazione di questo nuovo tipo di magnetismo ottenuta dal fisico Juraj Krempasky del Paul Scherrer Institute svizzero, in collaborazione con i colleghi dell’Accademia delle scienze Ceca . Prima, però, di vedere cosa hanno scoperto, è giusto mantenere la promessa fatta e cercare di capire che cos’è questo nuovo tipo di magnetismo.

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È questione di…un momento
Tutti conosciamo le calamite da frigorifero, tipico esempio di ferromagnetismo che, fino al XX° secolo, si pensava  fosse l’unico tipo di magnetismo esistente. Poi si è scoperto che non era così. Si è capito, infatti, che le proprietà magnetiche di un oggetto macroscopico sono il risultato di quanto accade a livello microscopico o, meglio ancora, atomico. A manifestarsi è una proprietà comune a tutti i casi in cui vi sia una particella in rotazione e dotata di carica elettrica come l’elettrone: si crea lo spin elettronico o momento magnetico. In pratica una particella con carica “q” in moto circolare può essere considerata come una minuscola spira percorsa da una corrente elettrica e per le leggi dell’elettromagnetismo, ciò determina un momento magnetico “m” cioè una grandezza che ha una direzione (quella dell’asse perpendicolare al piano di rotazione della particella), un verso (che può essere in un senso o nell’altro lungo quest’asse) e un’intensità (un numero che ne misura la grandezza e dipende dalle caratteristiche del materiale).
La magnetizzazione di un materiale è, dunque, dovuta all’orientamento dei momenti magnetici degli atomi che lo compongono. Nel caso dei materiali ferromagnetici i momenti magnetici puntano tutti nella stessa direzione, dando così origine al genere di magnetismo macroscopico che fa sì che la calamita ricordo acquistata in viaggio si attacchi al frigorifero. Negli anni ’30, il fisico francese Louis Néel scoprì un altro tipo di magnetismo che fu chiamato antiferromagnetismo perché in questo caso gli spin puntano in direzioni alternate con il risultato che in questi materiali il campo magnetico netto macroscopico è nullo (e quindi non si attaccano al frigorifero). 
Arriviamo così al 2019 quando i nostri ricercatori predicono uno sconcertante comportamento della corrente elettrica nella struttura cristallina di alcuni materiali antiferromagnetici (l’effetto Hall anomalo) che non si spiega con la faccenda degli spin alternati che abbiamo visto. In pratica la corrente si muove senza alcun campo magnetico esterno. È allora che cominciano a pensare all’esistenza di un terzo tipo di magnetismo permanente, per l’appunto, l’altermagnetismo. I materiali altermagnetici mostrano un’insolita combinazione di proprietà presenti nei ferromagnetici e antiferromagnetici per quanto riguarda la disposizione degli spin e delle simmetrie cristalline e così, come negli antiferromagnetici, l’alternarsi degli spin porta ad avere magnetizzazione netta nulla. Tuttavia, se queste peculiarità potevano spiegare lo strano comportamento della corrente (l’effetto Hall anomalo) erano all’origine anche di altre proprietà più simili a quelle dei materiali ferromagnetici, ma anche di alcune proprietà completamente nuove. Il punto, però è che nessuno era ancora riuscito ad avere un vero riscontro sperimentale e quindi gli scienziati non erano sicuri di trovarsi effettivamente difronte a un nuovo tipo di magnetismo. Questo fino ad ora, perché il risultato ottenuto dagli svizzeri e dai cechi cambia tutto.
Rappresentazione grafica di uno spin elettronico

La spintronica e altre tecnologie
Con il loro studio Juraj Krempasky e i suoi colleghi hanno confermato l'esistenza di un altermagnete analizzando con tecniche di spettroscopia di fotoemissione la struttura elettronica di un cristallo, il tellururo di manganese, che in precedenza si pensava fosse antiferromagnetico. «Grazie all'alta precisione e sensibilità delle nostre misure - ha sottolineato Krempasky - siamo stati in grado di rilevare la caratteristica suddivisione alternata dei livelli di energia corrispondenti agli stati di spin opposti e quindi a dimostrare che il tellururo di manganese non è né un antiferromagnete né un ferromagnete convenzionale, ma appartiene al nuovo ramo altermagnetico dei materiali magnetici e ora che l'abbiamo portato alla luce, molte persone in tutto il mondo saranno in grado di lavorarci». 
E in effetti all’orizzonte già si profilano nuove possibilità di ricerca perché questa scoperta arricchirà la nostra comprensione della fisica della materia offrendo, per fare un esempio, una piattaforma promettente per esplorare la superconduttività non convenzionale attraverso nuove intuizioni sugli stati superconduttori che possono sorgere in diversi materiali magnetici. Ma a trarne forse un più immediato giovamento saranno le applicazioni tecnologiche. Basti pensare che, non avendo campi magnetici esterni come nei ferromagneti, questi materiali potrebbero essere usati per creare dispositivi magnetici che non interferiscano tra loro offrendo, per esempio, la possibilità di aumentare la capacità di archiviazione su dischi rigidi. I dispositivi commerciali, infatti, contengono materiali ferromagnetici così strettamente assemblati che i campi magnetici creano interferenze mentre gli altermagneti potrebbero essere assemblati ancora più densamente senza soffrire di questo problema. E poi, più lontano all’orizzonte, c’è la promessa della spintronica, l’elettronica basata sullo spin dell’elettrone che, potendo assumere solo due configurazioni, ben si presta alla codifica binaria. In questo caso la speranza è di rendere i dispositivi spintronici una realtà attraverso una nuova generazione di microprocessori molto più veloci di quelli attuali e con consumi energetici più contenuti, combinando memorie e microchip in un unico dispositivo.
Una strada tutta da percorrere
Dopo 20 anni di ricerche di successo l’attrezzatura usata per condurre lo studio che ha portato alla scoperta del primo materiale altermagnetico è stata disassemblata ed è in attesa di ricevere un upgrade che le consenta di iniziare una seconda vita e condurre nuove e più raffinate ricerche. «È stato con gli ultimi fotoni di luce che abbiamo fatto questi esperimenti - ha ricordato non senza un velo di commozione Krempasky - Che abbiano dato una svolta scientifica così importante è molto emozionante per noi». 
Questa frase può sembrare un punto di arrivo ma, in realtà, parla solo di una tappa di un lungo cammino perché questo, in fondo, è il senso della ricerca scientifica: ripartire ogni volta con un bagaglio di nuove conoscenze, lungo una strada che si dipana davanti ai nostri passi e che non sappiamo di preciso dove conduca. Ma in un viaggio, si sa, a volte il cammino conta più della meta.
 
https://www.corriere.it/tecnologia/24_marzo_02/cos-e-l-altermagnetismo-confermata-l-esistenza-di-un-terzo-tipo-di-magnetismo-che-potrebbe-rivoluzionare-il-settore-dei-computer-b81e847e-2b41-4ad9-84a3-184f306d0xlk.shtml