RICERCA ITALIANA     

16 Marzo 2009

L'unione fa la forza! Ferromagneti e semiconduttori magnetici

Molti di noi ignorano che non avremmo i cellulari senza l’arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore largamente usato nell’industria elettronica. Da una recente ricerca è stato possibile ricavare un meccanismo che potrebbe consentire di realizzare computer che non perdono l’informazione quando vengono spenti, e che non consumano energia quando non sono attivi.

I transistor ad alta frequenza, necessari per la realizzazione dei cellulari, sono fatti proprio di GaAs. I semiconduttori hanno la caratteristica di poter cambiare le loro caratteristiche elettriche per mezzo di drogaggi con impurezze opportune, che li arricchiscono o impoveriscono di elettroni. Si possono così rendere isolanti o conduttori, oppure creare strutture (dette giunzioni) alternando drogaggi di segno opposto ottenendo diodi o transistor. La tecnologia disponibile è ovviamente molto sviluppata e permette di manipolare i semiconduttori sulla scala di grandezza di qualche decina di miliardesimi di metro.

Il gruppo di ricerca di Trieste, che dal 2005 lavora a questo studio, ha scoperto che depositando un film ultrasottile di ferro sul GaMnAs, questo è in grado di magnetizzare una parte del Mn situato nei pressi dell’interfaccia, anche a temperatura ambiente. Il ferro infatti ha una temperatura di Curie molto elevata. Per mezzo di una tecnica spettroscopica basata sull’assorbimento dei raggi-X a polarizzazione circolare, i ricercatori hanno potuto misurare la magnetizzazione del Fe in maniera indipendente da quella del Mn, scoprendo che la magnetizzazione del Mn è opposta a quella del Fe. Inoltre, sono stati in grado di distinguere due tipi di Mn con comportamento magnetico diverso, dimostrando che solo uno dei due si accoppia con il Fe. Utilizzando i risultati degli esperimenti di assorbimento dei raggi-X, sono stati compiuti esperimenti di riflettività, ed è stato determinato il profilo di magnetizzazione del materiale strato atomico per strato atomico, distinguendo le zone del GaMnAs che sono accoppiate al Fe da quelle che non lo sono. Questi dati aiuteranno a capire quali sono i fenomeni fisici che fanno sì che parte del Mn risenta della presenza del Fe.

L’interesse del risultato sta nel fatto che la porzione di Mn che non risente direttamente della presenza del Fe, in realtà mostra un incremento della sua temperatura di Curie. In pratica il Fe rafforza il carattere ferromagnetico di tutto il cristallo di GaMnAs, comprese le porzioni distanti dall’interfaccia. Non si è ancora arrivati a ottenere un cristallo di GaMnAs che sia ferromagnetico a temperatura ambiente, ma è stato scoperto un fenomeno che va in quella direzione. La comprensione dei fenomeni che ne sono all’origine potrebbe indicarci una strada per ottenere un cristallo di GaMnAs ferromagnetico a temperatura ambiente, e quindi utile a realizzare i dispositivi spintronici del futuro.

Per saperne di più abbiamo rivolto alcune domande ai ricercatori

Sono state utilizzate strumentazioni particolari e/o costose?
Il lavoro è stato possibile grazie a una collaborazione tra un gruppo INFM (ora CNR) e l’università di Regensburg, e ha richiesto le competenze e le strumentazioni di entrambi i gruppi. Per ottenere i risultati abbiamo utilizzato la luce di sincrotrone. Si tratta di raggi-X generati da un grosso acceleratore di elettroni, il Sincrotrone “Elettra” di Trieste, che vengono utilizzati da 22 laboratori (beamlines) situati lungo l’anello di accelerazione. Si tratta di una “facility”, come altre sparse in europa, condivisa tra tanti gruppi con strumentazioni e obiettivi scientifici diversi.
Le apparecchiature sono molto costose, dell’ordine di qualche milione di euro per ogni beamline, più un 10% del suo valore per il mantenimento annuo. Inoltre anche costruire i campioni richiede macchinari il cui valore è di molti milioni di euro. Per questa ragione queste grosse facilities, estremamente costose, vengono condivise da chiunque, selezionato sulla base di criteri di eccellenza scientifica, ne faccia richiesta.
Nel nostro caso l’uso dei raggi-X ci ha permesso di misurare selettivamente l’ordine magnetico di un singolo elemento, in un cristallo dove sono presenti diversi metalli ferromagnetici mescolati. Senza la luce di sincrotrone, cioè con i magnetometri tradizionali, avremmo potuto misurare solo la somma dei momenti magnetici dei vari elementi, senza poter distinguere i vari contributi. Sempre grazie ai raggi-X siamo riusciti a ricostruire anche spazialmente la provenienza di questi segnali magnetici dai singoli strati atomici del cristallo, come se avessimo un microscopio in grado di “vedere” dentro il nostro campione.
Per ottenere i nostri risultati abbiamo fatto esperimenti in due “beamlines” (letteralmente “linee di luce”) del sincrotrone di Trieste e in un’altra del sincrotrone di Grenoble (ESRF). Ci teniamo a precisare che il nostro lavoro è frutto della collaborazione tra diversi gruppi europei (italiani, tedeschi e francesi), sia dal punto di vista delle competenze, che delle strumentazioni.

Si tratta di un risultato di grosso rilievo nell’ambito dei conduttori magnetici, che effetto fa essere i protagonisti di un pezzo di storia della scienza?
Per ora direi che si tratta di un risultato interessante e promettente, ma si tratta di un piccolo passo. E’ bene rimarcare che non abbiamo in mano il dispositivo del futuro e che saranno necessari ulteriori studi per ottenere risultati pratici. Il successo del nostro risultato si vedrà dall’accoglienza della comunità scientifica: quando altri gruppi raccoglieranno il testimone per proseguire gli studi sulla stessa strada, potremmo dire di avere avuto successo.

Quali saranno i prossimi passi dei vostri studi?
Stiamo progettando ulteriori esperimenti per capire i fenomeni fisici che permettono ai nostri campioni di magnetizzarsi anche a temperatura ambiente, in collaborazione con gruppi teorici. La capacità di controllare il fenomeno e non solo osservarlo è il prerequisito per ogni applicazione futura. All’università di Regensburg cresceranno nuovi campioni cristallini depositando ferro su semiconduttori magnetici senza mai rompere il vuoto (cioè senza esporli all’aria tra un passaggio e l’altro) e interponendo strati non magnetici in mezzo. In questo modo cercheremo di capire qual è il raggio d’azione delle interazioni magnetiche.

Si prevedono applicazioni a breve termine? Può indicare quali saranno i tempi dell’ingresso sul mercato di questi dispositivi di nuova generazione?
Per quanto riguarda il GaMnAs, al momento non ci sono applicazioni pratiche e non sono in grado di fare previsioni. I nostri studi sono di natura fondamentale e non ancora applicativa. Ci sono comunque già in commercio dispositivi spintronici metallici (non ancora a semiconduttore come i nostri) nelle testine di lettura/scrittura dei dischi rigidi, basati sulla magnetoresistenza gigante (GMR), per la quale nel 1997 Albert Fert e Peter Grunberg hanno vinto il premio Nobel.

Oltre alla possibilità di poterli usare a temperatura ambiente, ci sono altre svolte rispetto ai semiconduttori finora usati?
I dispositivi detti “spintronici” potrebbero rivoluzionare il mondo dei computer. L’idea di base è semplice: l’elettrone è caratterizzato dalla carica elettrica e dallo spin. Lo spin fa si che l’elettrone si comporti come se avesse un piccolo momento magnetico, cioè “come se” fosse una piccola calamita. Ovviamente questa è una semplificazione, ma rende l’idea. I circuiti integrati dei computer utilizzano solo la carica per fare i conti, e si cancellano quando si interrompe l’alimentazione. Lo spin entra in gioco solo nelle unità di memorizzazione di massa, come i dischi rigidi, costituiti da sottili strati di materiale ferromagnetico. La testina, magnetizzando una piccola porzione del film ferromagnetico, scrive il singolo bit di informazione. Quello che succede a livello microscopico, un po’ come quando attacchiamo una calamita a un pezzo di ferro, è che gli spin degli elettroni che sono legati agli atomi del film ferromagnetico si orientano tutti nella stessa direzione. E’ come se allineassimo tante piccole calamitine nella stessa direzione, in modo che il loro effetto si sommi e sia rilevabile a livello macroscopico. La spintronica tenta di manipolare lo spin del singolo elettrone come bit di informazione, senza dover ricorrere a magneti esterni, come le testine di lettura/scrittura, che hanno dimensioni macroscopiche, ma all’interno del circuito elettronico.
L’approccio dei semiconduttori magnetici consiste nel drogare materiali semiconduttori, simili a quelli usati per l’elettronica tradizionale, con impurezze magnetiche, e cercare di modificare la direzione della magnetizzazione di queste impurezze per via elettrica. E’ come se si stesse cercando di realizzare un disco fisso, che non ha bisogno di testina e privo di parti in movimento, all’interno dei circuiti integrati del computer. In questo modo si unirebbero i pregi dei dischi rigidi, che non perdono l’informazione quando vengono spenti, a quelli delle memorie RAM del computer, che sono molto più veloci e piccole ma si cancellano quando non sono alimentate. Si potrebbero quindi realizzare computer che non perdono l’informazione quando vengono spenti, e che non consumano energia quando non sono attivi. Se si pensa che spesso si lasciano i computer accesi e in attesa tutto il giorno a consumare circa 100W di potenza, senza che facciano nient’altro che attendere di essere utilizzati, si comprende che il risparmio, con circuiti spintronici, sarebbe enorme. Il problema attuale è che i semiconduttori magnetici lavorano solo a basse temperature: noi abbiamo scoperto che accoppiandoli con un film di Fe, si può alzare la loro temperatura di lavoro. Una comprensione più approfondita del fenomeno potrebbe portare a innalzare la temperatura di lavoro fino a raggiungere la temperatura ambiente, e renderli quindi di uso pratico.

C’è qualcosa di particolare che vuole aggiungere?
Solo una riflessione sull’importanza della cooperazione, in campo scientifico e non. Abbiamo avuto la fortuna e l’opportunità di lavorare a fianco di colleghi provenienti da tutto il mondo. Al sincrotrone chiunque può fare una proposta di ricerca che, se ben valutata, dà accesso alle strumentazioni. Il mondo della ricerca deve aprirsi e condividere competenze, risultati, strumentazioni, ed essere pronto alla competizione internazionale: solo in questo modo può progredire realmente.