Inversione perfetta

Quando il rumore diventa fastidioso, da qualche anno si usa l'"antirumore" nelle cuffie o nelle auto di lusso. Un microfono registra i rumori di disturbo e un chip di computer calcola le contromisure appropriate: In altre parole, onde sonore le cui fasi di oscillazione sono esattamente opposte a quelle del suono ambientale. L'interferenza tra le onde porta infine a cancellare efficacemente il rumore. La fisica e gli ingegneri vorrebbero applicare il principio dell'inversione perfetta anche ad altre tecnologie, ad esempio alla struttura magnetica di un materiale. Il professor Manfred Fiebig dell'ETH di Zurigo e i suoi collaboratori del Dipartimento di Scienze dei Materiali sono riusciti a farlo. Sono stati supportati da scienziati europei, giapponesi e russi. I loro risultati saranno pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica Nature.

Magnetico ed elettrico allo stesso tempo

Il team di Fiebig ha utilizzato i cosiddetti multiferroici per i suoi esperimenti. A differenza di molti altri materiali che presentano un ordine magnetico o elettrico, i multiferroici hanno entrambe le caratteristiche: sono magnetici, ma anche polarizzati elettricamente e quindi si allineano lungo entrambi i campi magnetici ed elettrici. I meccanismi fisici che garantiscono l'ordine magnetico ed elettrico all'interno del materiale sono sottilmente accoppiati tra loro.

Tra le altre cose, questo apre la possibilità di influenzare la magnetizzazione non con campi magnetici, come avviene di solito, ma con campi elettrici. "Questo è molto più efficiente, perché per generare i campi magnetici è necessaria l'elettricità, che costa molta energia e genera un fastidioso calore residuo", spiega Na?mi Leo, alumni del laboratorio di Fiebig. Nei computer, ad esempio, dove i dati devono essere scritti costantemente su dischi rigidi magnetici, i multiferroici potrebbero essere materiali chiave per un significativo risparmio energetico.

Le forme del Tangram come ispirazione

All'ETH di Zurigo, da anni leader internazionale nella ricerca sui multiferroici, hanno pensato a un passo in più. "Un materiale in cui è possibile influenzare la magnetizzazione con i campi elettrici deve avere una struttura piuttosto complicata fin dall'inizio", afferma Fiebig, illustrando il principio con l'esempio del puzzle cinese Tangram: più pezzi si hanno a disposizione - triangoli, quadrati e un parallelogramma - più forme complesse si possono creare con essi.

Nel caso dei multiferroici, le forme corrispondono alle simmetrie del materiale, che ne determinano le proprietà fisiche. Più complesse sono le simmetrie, più diversi sono i cosiddetti parametri d'ordine, che descrivono la direzione in cui punta la magnetizzazione in un multiferroico e come è accoppiata all'ordine elettrico.

Proprietà inaspettate

Tuttavia, se gli atomi di un materiale sono già disposti in modo così complicato, è anche molto probabile che abbia altre proprietà non riconoscibili a prima vista. "Per questo motivo non volevamo limitarci ai fenomeni ben noti che sono stati studiati da molto tempo, ma piuttosto guardare a quali altre cose utili possono fare i multiferroici", dice Fiebig, spiegando il suo approccio alla ricerca: "Come possiamo mettere insieme i pezzi del puzzle - i parametri d'ordine - in modi diversi da quelli conosciuti e quindi arrivare a nuove proprietà utili?"

Questa apertura verso l'inaspettato ha dato i suoi frutti. Fiebig e i suoi collaboratori hanno finalmente trovato un multiferroico in cui non solo l'intera magnetizzazione è uniformemente allineata da un campo applicato, come avviene di solito. Ciò cancellerebbe l'informazione magnetica memorizzata - la distribuzione delle aree magnetizzate positive e negative nel materiale. Invece, il campo inverte la magnetizzazione in ogni area del materiale. Le aree magnetizzate positivamente si trasformano in aree magnetizzate negativamente e viceversa. Tuttavia, l'informazione magnetica, cioè la distribuzione delle aree, è stata mantenuta. "? come invertire tutti i bit di un disco rigido in un colpo solo", spiega Fiebig. "Solo che noi lo facciamo con un singolo impulso di campo magnetico, mentre normalmente bisogna riscrivere ogni singolo bit".

Inversione di polarità in un colpo solo

I ricercatori del Fare ricerca all'ETH hanno trovato l'equivalente magnetico dell'antisuono in un multiferroico composto da cobalto, tellurio e ossigeno. Grazie alla sua complessa struttura cristallina, questo materiale non solo può essere polarizzato magneticamente ed elettricamente allo stesso tempo, ma può anche avere diversi parametri d'ordine per la magnetizzazione: uno che determina l'orientamento magnetico di una regione e un altro che "ricorda" la disposizione e la forma di queste regioni nell'intero materiale.

Utilizzando una speciale tecnica di imaging in cui la luce laser polarizzata viene inviata attraverso il cristallo e cambia colore durante il processo, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare direttamente il processo di inversione spaziale.

Ruoli invertiti

Ma non è tutto. Con un altro multiferroico, composto da manganese, germanio e ossigeno, la fisica è riuscita a compiere un'impresa simile, anche se questa volta i ruoli erano invertiti: Questa volta il campo magnetico ha invertito la polarizzazione elettrica del materiale piuttosto che la magnetizzazione. Per i ricercatori si tratta di un'ulteriore conferma del fatto che la multiferroica riserva ancora molte sorprese. "Probabilmente ci sono ancora molte cose da scoprire che oggi non possiamo nemmeno immaginare", afferma Fiebig.