RICERCA ITALIANA     

Cristalli magnonici mono- e bi-dimensionali, per applicazioni in magneto-elettronica

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Nel corso degli ultimi anni, un’enorme attenzione e’ stata rivolta alla possibilità di controllare o ingegnerizzare le proprietà ottiche dei materiali grazie all’introduzione di una modulazione artificiale dell’indice di rifrazione. Questi materiali sono conosciuti come cristalli fotonici (PC), o materiali con gap di banda fotonico (PBG) e le loro applicazioni rappresentano un settore emergente della fotonica e dell’optoelettronica. Usando queste strutture artificiali è possibile far propagare la luce solamente lungo certe direzioni, ottenere la sua localizzazione in una particolare regione o addirittura rendere alcune zone proibite per la propagazione della luce stessa.
In maniera simile ai cristalli fotonici, è stata anche proposta un’altra classe di materiali, conosciuta come cristalli magnonici (magnonic crystals, MC), dove, invece della luce, si usano le onde di spin per trasportare le informazioni. E’ da notare come le proprietà di trasporto in multistrati magnetici, un esempio di MC in una dimensione, sono state molto studiate negli ultimi due decenni in seguito alla scoperta dell’effetto di magnetoresistenza gigante (GMR). Per tale scoperta, P.Grunberg e A. Fert hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2007. I progressi nelle tecniche di nano-litografia hanno reso possible la realizzazione di cristalli magnonici costituiti da film e multistrati modellati in superficie (patterned)in una (barre o fili) e due (elementi di forme differenti) dimensioni >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giovanni Carlotti Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli obiettivi principali che si intendono perseguire con questo progetto di ricerca possono essere così riassunti:
- Crescita di film e multistrati magnetici di alta qualità depositati su sottostrati di materiali semiconduttori, con elevato controllo delle loro proprietà strutturali e magnetiche (anisotropia, momento magnetico, campo coercitivo, accoppiamento inter-strato di tipo ferro- o anti-ferromagnetico), così come della loro dipendenza da altri parametri rilevanti quali la combinazione dei materiali, lo spessore , l’orientazione cristallografica, le condizioni di crescita, ecc;
- Uso della litografia elettronica ad alta risoluzione spaziale (20 nm) per la fabbricazione di cristalli magnonici planari in una e due dimensioni, con periodicità artificiale compresa tra 200 and 800 nm, a partire dalle strutture stratificate precedentemente descritte; analisi della morfologia delle strutture ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a forza atomica (AFM);
- Caratterizzazione completa dello stato fondamentale magnetico e delle proprietà quasi-statiche (cicli di isteresi) delle nanostrutture magnetiche mediante microscopia a forza magnetica (MFM), effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) vettoriale, integrato con uno stadio di focalizzazione su scala sub-micrometrica, diffusione risonante di raggi X soffici polarizzati (XRMS);
- Simulazioni micromagnetiche delle proprietà quasi-statiche dei cristalli magnonici, con >>>

Risultati parziali attesi

Il risultato principale atteso per questo progetto di ricerca è la comprensione del comportamento collettivo, specialmente la dinamica della magnetizzazione nel range temporale al di sotto del nanosecondo, di cristalli magnonici mono- e bi-dimensionali con celle unitarie semplici o complesse. Ci si aspetta che lo sforzo per condurre questo studio relativo a scale di tempi molto brevi porterà a due classi di risultati.
Anzitutto, la comprensione fondamentale di come le dimensioni nanoscopiche e la periodicità artificiale possano far nescere nuovi fenomeni dinamici collettivi, come la presenza di eccitazioni che si propagano in uno spazio reciproco caratterizzato da zone di Brillouin artificiali, l'esistenza di bande di energia permesse e proibite, la comparsa di modi di oscillazione ottici e acustici dovuti alla presenza di una base complessa, l'esistenza di modi soffici che promuovono l'inversione della magnetizzazione. In breve, il reticolo fatto di dot magnetici sarà considerato come un cristallo artificiale in cui i singoli dot sono come gli “atomi” costituenti, caratterizzati da spettri discreti. L’interazione tra questi atomi del reticolo, considerando la loro identità e la regolarità della disposizione, dovrebbe portare alla comparsa di bande di energia permesse, con modi collettivi ben definiti. Siamo dunque di fronte ad un problema classico, ma formalmente analogo ad un problema quanto-meccanico. Ciascun modo collettivo nasce da uno dei modi >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Durante l’ultimo decennio, la comunità scientifica ha rivolto una considerevole attenzione alla fabbricazione di materiali artificiali in cui la luce può essere localizzata in zone o canali definiti o è addirittura possibile impedire completamente la propagazione della luce. Questi sistemi sono noti con il nome di cristalli fotonici (PC) e sono formati da materiali progettati in modo tale da avere una modulazione periodica dell’indice di rifrazione [1-3]. Una struttura periodica a multistrato è un semplice esempio di PC unidimensionale. In una struttura di questo tipo esiste un intervallo di frequenze in corrispondenza delle quali la propagazione della luce è proibita (intervallo di banda fotonico proibito, PBG). Recentemente, è stato dimostrato che questi cristalli possono essere realizzati in anche due o tre dimensioni. Queste strutture possono avere un PBG completa, cioè è possibile proibire la propagazione della luce in ogni direzione all’interno del cristallo. PC costituiti da materiali magnetici vengono anche chiamati cristalli magneto-fotonici (MPC). Grazie all’effetto Faraday, questi ultimi permettono di variare la polarizzazione della luce applicando un campo magnetico esterno [4]. Inoltre, sfruttando la non reciprocità della propagazione della luce in un mezzo magnetico, è possibile progettare dei modulatori o dei chopper. Analogamente ai PC e ai MPC, alcuni articoli teorici hanno recentemente proposto la creazione di un’altra classe di cristalli conosciuti come >>>