L'attività scientifica del Settore Materiali copre un'ampia varietà di argomenti nel campo del magnetismo: ricerca di base e modelli fisici, preparazione di materiali, caratterizzazione magnetica e strutturale, applicazioni e attività metrologiche. I risultati maggiormente significativi raggiunti nell'anno 2005 sono di seguito riassunti.
Sono state preparate leghe metalliche amorfe, nanocristalline e microcristalline mediante la tecnica della rapida solidificazione in atmosfera controllata. In particolare, sono stati prodotte e caratterizzate leghe nanogranulari a magnetoresistenza gigante (Cu-Fe-Ni, Cu-Fe, Au-Co, Au-Fe). Sono state studiate inoltre leghe magnetiche a memoria di forma (FePd e nastri sottili a base NiMnGa). La preparazione di film sottili è stata concentrata principalmente su sistemi come il permalloy, leghe Fe/Co e a magnetostrizione gigante Fe/Tb.
Struttura a domini di un film sottile FeCoAlO nanogranulare in prossimità di un bordo irregolare mediante microscopia Kerr ad alta risoluzione. Il campo magnetico è applicato lungo la direzione orizzontale, con intensità crescente dal basso verso l'alto.
Struttura a domini, ottenuta mediante microscopia Kerr ad alta risoluzione, di un meandro di un film sottile base Fe prodotto con sputtering RF e successivamente litografato nel laboratorio film sottili. Il campo magnetico è applicato lungo la direzione orizzontale, con intensità crescente (da sinistra a destra e dal basso verso l'alto).
I magneti permanenti a base Nd-Fe-B and Sm-Co caratterizzati da alta coercività sono stati caratterizzati in maniera esaustiva mendiante il magnetometro a campo impulsato. Sono stati effettuati confronti con metodi convenzionali che utilizzano soleinoidi superconduttori che hanno evidenziato il ruolo dei rilassamenti della magnetizzazione dovuti all'agitazione termica. E' stato dimostrato che l'andamento della permeabilità e delle perdite di energia nell'intervallo di frequenze da Dc al MHz nelle ferriti Mn-Zn può essere accuratamente previsto mediante il metodo della separazione delle perdite. In questo studio sono tenuti in considerazione meccanismi di dissipazione legati al rilassamento degli spin associati al moto delle pareti e alla risonanza di precessione che sono descritti quantitativamente nell'ambito dell'equazioni di Landau-Lifshitz-Gilbert per la dinamica di spin. Un nuovo sistema bidimensionale di misura (2D) in lamierini magnetici dolci è stati sviluppato. Viene utilizzato un' alimentatore tri-fase con il controllo del luogo dei punti di flusso basato sul principio di identificazione per contrazione iterativa.
Cicli di isteresi misurati con il PFM e il magnetometro a estrazione (EM). Velocità di magnetizzazione: ~ 450 T·s-1 con il PFM e ~ 5 ·10-4 T·s-1 con il EM.
Luogo dei punti dell'induzione magnetica B e del campo magnetico applicato H in un lamierino a base Fe-Si a grani orientati misurati a 50 Hz con controllo rotazionale del flusso.
Presso l'INRIM viene mantenuto un sistema di riferimento per il flusso di campo magnetico nell'intervallo 1 T - 10-5 T facendo uso di uno elettromagnete, una coppia di bobine di Helmholtz con alimentatore con controllo della corrente elettrica, magnetometri NMR con flusso di acqua. La calibrazione delle bobine di riferimento si basa in parte sull'applicazione di un solenoide standard di Garret in precedenza sottoposto a un ciclo di tarature. L'incertezza relativa del sistema è stimata variare nell'intervallo tra 2·10-3 (B ~ 10-5 T) e 7·10-6 (B = 1 T).
Incertezza relative estesa versus densità di flusso magnetico nel sistema di riferimento presso l'INRIM.
La refrigerazione allo stato solido mediante l'effetto magnetocalorico (MCE) è una recente e stimolante innovazione tecnologica che promette un'efficiente refrigerazione con un minore impatto ambientale rispetto alle tecniche utilizzanti i gas. Un effetto magnetocalorico MCE particolarmente rilevante è stato osservato in materiali ferromagnetici mostranteiuna transizione di fase magnetostrutturale del primo ordine. In regime adiabatico le transizioni sono accompagnate da un elevato cambiamento di temperatura sino a 8-10 K sotto un cambiamento di campo H ~ 5 T. I risultati ottenuti sul Ni2MnGa sono di particolare interesse in quanto legati alla caratteristiche specifiche della lega che presenta, quando sottoforma di un monocristallo, una ricca fenomelogia di tipo magnetico, meccanico e termico. Per ottenere i dati presentati è stato messo a punto un nuovo sistema sperimentale .
Cambiamenti di temperatura in regime adiabatico ΔTad(T)H indotti da un campo magnetico variabile in un campione monocristallo di Ni2MnGa avente transizione di fase magneto-strutturale.
Una corrente di elettroni spin-polarizzati può indurre un momento torcente in una ferromagnete di dimensioni nanometriche che potrebbe dare origine a oscillazione della magnetizzazione nella regione delle microonde. Utilizzando metodi basati sulla teoria dei sistemi dinamici non lineari e delle biforcazioni è stato possibile ricostruire analiticamente il diagramma completo di stabilità che caratterizza la risposta dei nanomagneti quando sono simultaneamente presenti la corrente di spin polarizzata e il campo magnetico. Sono state calcolate predizioni quantitative dettagliate per valori di corrente e di campo critici per indurre lo switching della magnetizzazione, per l'ampiezza e la frequenza delle self-oscillazioni della magnetizzazione, e per le condizione che conducono alla transizione isteretica tra self-oscillazioni e regime stazionario.
In alto: diagramma di stabilità per la dinamica di magnetizzazione indotta da corrente. Asse verticale: densità di corrente; asse orizzontale: campo esterno, applicato lungo l'asse facile in piano del nanomagnete. I simboli P, A e S2 indicano il regime di magnetizzazione stazionaria, O e O2 il regime di self-oscillazione. In basso: rappresentazione schematica degli stati di magnetizzazione tipici per diversi regimi dinamici. Cerchi pieni: stati stazionari stabili; cerchi vuoti: stati stazionari non stabili. Linee continue e tratteggiate moti di self-oscillazione stabili e non stabili.
La ricerca nel campo delle proprietà dell'isteresi sia dal punto di vista teorico che sperimentale, è focalizzata principalmente su aspetti scalari, a scapito di alcuni aspetti fondamentali del processo di magnetizzazione. L'inversione della magnetizzazione ha infatti una natura intrinsecamente vettoriale che necessita di una descrizione unificata della rotazione degli spin e dei fenomeni di rotazione della magnetizzaziobe beu domini quali salti Barkhausen e nucleazione. Allo scopo di studiare questi fenomeni è stato preparato un apparato sperimentale che permette lo studio contemporaneo di diversi aspetti dell'isteresi. Un campione circolare di nastro amorfo a base cobalto, dotato di un asse di anisotropia macroscopico , è sottoposto ad un campo alternato, applicato lungo una direzione formante un angolo di 30° con l'asse facile e∥. Le due componenenti ortogonali della magnetizzazione M∥ e M⊥ (lungo l'asse facile e perpendicolarmente ad esso), e del campo effettivo H∥ e H⊥, sono state misurate. L'evoluzione dei cicli di M∥ vs. M⊥ e H∥ vs. H⊥ consente di elaborare le condizioni che portano alla nucleazione dei domini magnetici. Il caso di θHa=30° è riportato in figura in cui è evidenziato il ruolo dei processi reversibili ed irreversibili lungo la curva di prima magnetizzazione e del ciclo maggiore.
Luogo dei punti percorsi dall'estremità del vettore di campo efficace H=Ha+Hd (Hd = demagnetizing field) quando è applicato un campo alternato Ha. Partendo dallo stato smagnetizzato (1) è possibile osservare, in aggiunta alla rotazione reversibile degli spin, i seguenti regime di magnetizzazione: (1-2) spostamento reversibile di pareti di Bloch; (2-3) spostamento irreversibile di pareti di Bloc; (3-4) e (4-5) assenza di pareti di Bloch; (5-6) and (6-7) moto irreversibile di pareti di Bloch. HN può essere considerato essere un campo di nucleazione.