Spintronica e nanomagnetismo

Nel laboratorio di nanomagnetismo si studia il comportamento di dispositivi in cui il materiale magnetico è stato ridotto di dimensioni, fin quasi ad arrivare alla scala atomica. Rientrano in questo dominio i film sottili o multistrati di spessore nanometrico, i dispositivi nanolitografati, le nanoparticelle.
Questi sistemi sono interessanti perchè la loro ridotta dimensionalità fa sorgere proprietà anche qualitativamente nuove, causate dalla dipendenza dei vari termini energetici dalle dimensioni fisiche degli oggetti. Vengono così osservati:

  • fenomeni ondulatori estremamente complessi (onde di spin),
  • sistemi localizzati dove la magnetizzazione prende caratteristiche topologiche confinate (vortici e skyrmioni),
  • nuovi tipi di interazione emergenti dalle rotture di simmetria spaziale (interazione di Dzyaloshinskii-Moriya)

La spintronica, una delle tecnologie emergenti nel nanomagnetismo, si basa sulla manipolazione dello spin nello stato solido. Il settore della spintronica risponde alla crescente domanda di miniaturizzazione e utilizza le nanotecnologie per realizzare dispositivi in ​​cui lo spin è accoppiato a effetti elettrici, termici o magnetici.

Le principali attività del laboratorio sono le seguenti:

Imaging di strutture a domini
Immagini MFM di due nanostrutture magnetiche

La struttura a domini e le proprietà magnetiche sono studiate staticamente e al variare del campo applicato (statico e in frequenza) attraverso tecniche di imaging magnetico (Microscopia a forza magnetica, Magnetoottica in effetto Kerr longitudinale o polare).

Il microscopio a forza magnetica (MFM) ha la possibilità di acquisire la struttura a domini dinamicamente variando il campo magnetico e/o la temperatura. Tale strumento consente quindi di visualizzare lo spostamento della struttura a domini con il campo magnetico applicato. È stata sviluppata una tecnica di misura che consente di acquisire e analizzare le immagini al variare del campo magnetico applicato allo scopo di ottenere una misura del processo di magnetizzazione e dei cicli di isteresi di una singola nanostruttura. Un esempio è visibile in figura dove sono riportate due immagini MFM relative a nanodots di Ni80Fe20 prodotti mediante litografia a fascio elettronico (diametro 800 nm). La magnetizzazione si è organizzata in una tipica struttura a vortice. I due nanodots sono caratterizzati da opposta chiralità la cui direzione può essere controllata e variata mediante la misura di cicli di isteresi locali con microscopia a forza magnetica.

Sistemi spintronici

La generazione e la misurazione delle correnti di spin, tra gli obiettivi centrali della spintronica, può essere realizzata in diversi modi: tramite il trasporto di spin elettronici nei metalli, con il moto di pareti di Bloch o di Neel o di strutture topologiche come come vortici e skyrmioni, tramite la trasmissione di onde di spin in ferromagneti.
L'INRIM studia diversi sistemi spintronici:

  • eterostrutture contenenti strati magnetici e non magnetici con grande effetto spin-orbita (es. Co / Pt e Ta / CoFeB). Queste strutture mostrano rottura della simmetria di inversione e sono caratterizzate dall'interazione di Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), che agisce come un'interazione di scambio anisotropica tra gli spin adiacenti. Tale interazione genera configurazioni magnetiche stabili, come pareti di dominio con una chiralità fissa e skyrmioni, piccoli vortici  magnetici caratterizzati da alta stabilità. L'INRIM è attivo nella ricerca per la determinazione della costante DMI la cui conoscenza è fondamentale per le future applicazioni spintroniche.
  • giunzioni tunnel magnetiche, già ampiamente applicate nelle testine di lettura degli hard disk e nei dispositivi di memoria magnetic random access memories (MRAM). Tali sistemi sono basati sull'effetto di spin-transfer-torque causato da una corrente di spin che subisce effetto tunnel tra due strati magnetici separati da uno strato isolante. L'INRIM studia la dinamica di magnetizzazione (es. dei vortici magnetici) in funzione di importanti parametri di influenza come la presenza di difetti o il calore.

  • bilayer formati da uno strato metallico con un forte effetto spin-Hall (es. Pt) e da un ferromagnete isolante (es. YIG). In questi sistemi, la corrente di spin può essere generata in uno dei due strati e trasmessa nell'altro attraverso l'interfaccia, dando origine ad una varietà di nuovi effetti fisici. L'INRIM è attivo sia nell'ambito dell'esame sperimentale che teorico degli effetti spin Seebeck, spin Peltier, spin pumping e spin Hall torque, che emergono in queste configurazioni e che rappresentano promettenti dispositivi spintronici.

  • film magnetici (es. Permalloy, YIG) per misure di risonanza ferromagnetica (FMR) ed onde di spin nel dominio del tempo e della frequenza al fine di comprendere la generazione e la propagazione di correnti di spin.

Nanoparticelle magnetiche
Curve di magnetizzazione in funzione della temperatura di nanoparticelle magnetiche

Tecniche magnetometriche SQUID ad alta sensibilità sono correntemente utilizzate per lo studio del processo di magnetizzazione in nanoparticelle magnetiche metalliche, core shell e disperse in matrici polimeriche e nanoporose utilizzate per applicazioni biomediche e ambientali. Le interazioni magnetiche, che variano con composizione, morfologia e aggregazione sono studiate e analizzate mediante modelli analitici. Come esempio, sono riportate in figura le curve di magnetizzazione acquisite dopo raffreddamento in campo magnetico e in assenza di campo di ossidi di ferro aventi diametro circa 6 nanometri.

Ultima modifica: 12/05/2017 - 11:44