Strati sottili di due metalli non magnetici-rame e manganese – diventano magneti quando sono in contatto con molecole buckminsterfullerene. Questa scoperta è stata fatta da fisici nel Regno Unito, Stati Uniti e Svizzera, e potrebbe portare a nuovi tipi di dispositivi elettronici pratici e persino computer quantistici.
I ferromagneti, come i familiari magneti da frigorifero, sono materiali che hanno momenti magnetici permanenti. Ci sono solo tre metalli che sono ferromagnetici a temperatura ambiente – ferro, nichel e cobalto – e questo è spiegato in termini di “criterio Stoner”, che è stato derivato per la prima volta nel 1938 all’Università di Leeds da Edmund Stoner.
Stoner sapeva che il magnetismo nei metalli è una proprietà degli elettroni di conduzione. Questi elettroni sono soggetti all’interazione di scambio che consente loro di ridurre la loro energia allineando i loro momenti magnetici di spin nella stessa direzione, creando così un metallo ferromagnetico. Tuttavia, avendo giri quel punto nella stessa direzione aumenta l’energia cinetica complessiva degli elettroni. Stoner si rese conto che il ferromagnetismo si verificherà solo quando la riduzione di energia causata dallo scambio è maggiore del guadagno in energia cinetica. Quantitativamente, ha dimostrato che ciò si verifica quando il prodotto della densità elettronica degli stati (DOS) – il numero di stati energetici disponibili per gli elettroni – e la forza dell’interazione di scambio (indicata da U) è maggiore di uno.
Dare U una spinta
U è chiamato il criterio Stoner, ed è maggiore di uno per ferro, nichel e cobalto, ma non per i loro vicini nella tavola periodica – manganese e rame. Ora, un team internazionale tra cui Fatma Al Ma’Mari e Tim Moorsom dell’Università di Leeds nel Regno Unito ha trovato un modo per aumentare l’interazione DOS e scambio in rame e manganese in modo che siano ferromagnetici a temperatura ambiente.
Il team ha effettuato i suoi campioni depositando diversi strati alternati di C60 e rame (o manganese) su un substrato. Gli strati di rame erano spessi circa 2,5 nm e gli strati C60 spessi circa 15 nm. C60 è usato perché ha una grande affinità elettronica, il che significa che ogni molecola richiederà fino a tre elettroni di conduzione dal rame. Ciò dovrebbe aumentare sia il DOS che la forza dell’interazione di scambio nel rame.
Il team ha quindi misurato la magnetizzazione dei campioni stratificati e li ha trovati come materiali ferromagnetici. I ricercatori hanno anche esaminato campioni in cui gli strati di rame e C60 erano separati da strati di alluminio e non hanno trovato prove di magnetismo, il che suggerisce che il ferromagnetismo si verifica alle interfacce tra il rame e C60. Questo è stato supportato da esperimenti che utilizzano muoni, che sono sensibili alla profondità e hanno dimostrato che il ferromagnetismo si verifica nel rame vicino all’interfaccia C60. Il team ha anche trovato ferromagnetismo a temperatura ambiente in strati di C60 / manganese, ma con una magnetizzazione più debole.
Campo critico
Sorprendentemente, quando i ricercatori hanno calcolato U per i loro campioni di rame, hanno scoperto che era inferiore a uno. In altre parole, i campioni non avrebbero dovuto essere ferromagnetici secondo il criterio di Stoner. Tuttavia, ulteriori indagini teoriche suggeriscono che i campioni dovrebbero diventare ferromagneti quando esposti a un campo magnetico relativamente piccolo – qualcosa che sarebbe accaduto durante la preparazione dei campioni. Ciò suggerisce che altri metalli non magnetici potrebbero essere resi ferromagnetici aumentando U ma non necessariamente fino a uno.
Sebbene siano necessari ulteriori lavori per aumentare la resistenza dei magneti in rame e manganese, la ricerca potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di minuscoli componenti magnetici. Questi potrebbero trovare uso in dispositivi spintronici, che utilizzano lo spin dell’elettrone per memorizzare ed elaborare le informazioni, o anche nei computer quantistici in cui gli spin di elettroni sono usati come bit quantici di informazioni.
La ricerca è descritta su Nature.