Magnetismo

Magnetismo

Nei Paesi tecnologicamente più avanzati i materiali magnetici e la loro integrazione all'interno di dispositivi sono oggetto di una delle linee di maggiore impegno in ricerca e sviluppo e hanno applicazioni industriali che riguardano settori strategici, quali la produzione e la trasformazione dell'energia, la tecnologia delle informazioni, le telecomunicazioni, la sensoristica. I materiali magnetici giocano inoltre un ruolo importante nei trasporti (in un veicolo elettrico, per es., il loro peso può superare 25 kg) e sono massicciamente presenti (mediamente in quantità tra 3 e 5 kg) nelle nostre abitazioni, variamente distribuiti nei comuni elettrodomestici, negli impianti ad alta fedeltà e negli apparecchi elettrici. I materiali magnetici e le metodologie diagnostiche di tipo magnetico, tra cui in primo luogo la risonanza magnetica nucleare, trovano anche una applicazione crescente in campo biologico e nel settore dei beni culturali. L'enorme sviluppo delle metodologie di sintesi dei materiali e delle tecniche di indagine strutturale, che hanno ormai raggiunto una risoluzione a livello atomico, consentono una manipolazione dei materiali e un controllo fine su scala nanometrica (1 nm=10⁻⁹ m) delle loro proprietà fisiche, tra cui quelle magnetiche. Negli ultimi anni il processo di miniaturizzazione, reso possibile dall'utilizzazione sempre più diffusa di tecnologie di fabbricazione su scala nanometrica, e le nuove proprietà magnetiche di strutture confinate (matrici di dots, fili o colonne) stanno rivoluzionando il settore dell'immagazzinamento delle informazioni. Quest'ultimo è in continua espansione a seguito della domanda crescente di immagazzinamento ed elaborazione dati: nel 2006 sono stati immagazzinati 3 miliardi di gigabyte di informazioni e questo numero sta crescendo con un incremento del 55% annuo. Le proiezioni per il 2009 prevedono un mercato di 32,5 miliardi di dollari e la produzione di 644 milioni di dischi rigidi. I dispositivi magnetoelettronici, inoltre, grazie alla realizzazione di strutture ibride magnete/semiconduttore (semiconduttori magnetici, giunzioni magnetiche a effetto tunnel), stanno aprendo nuovi scenari e ponendo le basi di una nuova era tecnologica.

Su scala inferiore al centinaio di nanometri, i materiali magnetici con geometrie di vario tipo, come pellicole sottili, superreticoli, fili, catene e matrici di nanoparticelle, presentano fenomeni del tutto nuovi, non riscontrabili nei materiali convenzionali. Una scala così ridotta induce variazioni significative nelle proprietà magnetiche, in ragione del cosiddetto effetto di dimensione (size effect), che si manifesta qualora le dimensioni del materiale diventino confrontabili con alcune lunghezze caratteristiche ‒ quali la lunghezza di correlazione di scambio e lo spessore delle pareti di dominio ‒ che permettono di definire l'ordine magnetico, l'anisotropia efficace e quindi il processo di magnetizzazione. Le nuove metodologie per la sintesi chimica, le avanzate tecniche fisiche per la crescita di strati sottili, la nanofabbricazione di matrici di nanooggetti quali nanoparticelle, fili e colonne consentono un controllo estremamente accurato delle proprietà magnetiche. Per tale motivo, in diversi settori di interesse tecnologico le prestazioni dei materiali magnetici nanostrutturati sono molto vantaggiose rispetto ai materiali convenzionali.

Il magnetismo moderno, nel rimuovere le barriere tradizionalmente presenti nelle discipline di riferimento (chimica, fisica, ingegneria, matematica), è il paradigma di un nuovo modo d'intendere la scienza e la tecnologia.

Principî fondamentali del magnetismo

La capacità di un materiale di magnetizzarsi per azione di un campo magnetico deriva dal comportamento collettivo di unità elementari, i dipoli magnetici, cui è associato un vettore momento magnetico, che nel caso di un corpo magnetizzato in modo uniforme si esprime come μ=VM, dove V è il volume e M il vettore di magnetizzazione. La grandezza che misura l'entità della risposta di un materiale all'applicazione di un campo magnetico è chiamata suscettività, indicata con il simbolo χ Essa è legata al vettore di magnetizzazione M e al campo magnetico H dalla relazione M=χH, e dipende in modo diretto dallo stato di occupazione dei livelli elettronici. Il valore di χ e la sua dipendenza dalla temperatura T e dal campo magnetico H definiscono i comportamenti magnetici dei materiali. Per valori piccoli (10⁻⁵÷10⁻⁴) e negativi di χ indipendenti da T, il comportamento è definito diamagnetico: è il caso di elementi che hanno il guscio elettronico esterno completo, per esempio il rame (χ=8,9×10⁻⁶), il silicio (3,7×10⁻⁶) e i gas nobili. Per valori di χ piccoli (10⁻⁶÷10⁻⁴), positivi e dipendenti dalla temperatura, il comportamento è definito paramagnetico e risulta dai gusci elettronici incompleti: presentano tale comportamento gli ioni dei metalli di transizione (3d, 4d, 5d), quelli delle terre rare e degli attinidi (rispettivamente 4f e 5f).

fig. 2

Lo spin e la corrente associata al moto orbitale degli elettroni contribuiscono al momento magnetico in varia misura: nel caso degli ioni di elementi di transizione (per es., Fe, Co, Ni), nei quali il guscio incompleto d è esterno, il momento magnetico è dovuto prevalentemente allo spin; il contributo orbitale è molto più importante nel caso, invece, di ioni di terre rare (per es., Nd, Sm, Gd, Dy). Lo stato paramagnetico, osservato per esempio in soluzioni solide diluite di ioni paramagnetici in matrici diamagnetiche, è caratterizzato da fluttuazioni di origine termica nelle direzioni dei momenti magnetici degli atomi e rappresenta pertanto uno stato magneticamente disordinato, con magnetizzazione nulla in assenza di campo. Interazioni di scambio interatomiche rendono possibile un ordine a corto raggio, con la formazione di regioni magneticamente ordinate di dimensioni finite, o a lungo raggio, con la formazione di stati cooperativi: in questo secondo caso si hanno ferromagnetismo (FM), antiferromagnetismo (AFM) e ferrimagnetismo (FI), che presentano, nell'ordine, accoppiamento parallelo e antiparallelo degli spin e accoppiamento antiparallelo di spin non equivalenti (fig. 2). Uno dei sistemi magnetici disordinati più studiati è il vetro di spin, che costituisce un particolare tipo di ordine magnetico a lunga distanza, in cui gli spin sono congelati in direzioni casuali al di sotto di una temperatura caratteristica, detta di gelo. Lo stato vetro di spin appare in sistemi caratterizzati dalla coesistenza di disordine, strutturale o sostituzionale, e di frustrazione.

fig. 3

L'andamento di χ in funzione di H è deducibile dalla curva di magnetizzazione espressa in funzione dell'intensità del campo magnetico (fig. 3). Il ciclo d'isteresi, ossia il fatto che tale curva, percorsa ciclicamente al variare del campo magnetico, racchiuda un'area finita, indica che alla base della risposta magnetica del materiale vi sono processi irreversibili.

La curva OA rappresenta la curva di prima magnetizzazione, ottenuta a partire dallo stato non magnetizzato del materiale applicando campi di intensità via via crescenti, fino al cosiddetto campo di saturazione (H_s), al quale corrisponde la magnetizzazione di saturazione (M_s). Riducendo l'intensità di H fino ad annullarlo, la magnetizzazione rimane a un valore finito (magnetizzazione rimanente, M_r); infine, cambiando il verso del campo magnetico, la magnetizzazione macroscopica si annulla per H=H_c (H_c, campo coercitivo) e per valori superiori si raggiunge la saturazione inversa.

Tra i fenomeni alla base dell'isteresi vi è l'anisotropia, ossia il fatto che l'energia di un solido magnetico dipende da come è orientata la sua magnetizzazione rispetto a una direzione preferenziale. Esistono diversi tipi di anisotropia magnetica. L'anisotropia magnetocristallina, cioè la dipendenza dell'energia magnetica dall'orientamento della magnetizzazione rispetto agli assi cristallografici, è legata alla simmetria del cristallo e alla posizione degli atomi nel reticolo, ed è pertanto una proprietà intrinseca del materiale; essa è originata dall'interazione tra il sistema di spin e il reticolo cristallino. Altri tipi di anisotropia costituiscono proprietà estrinseche, che possono essere indotte dalla metodologia seguita nella preparazione del materiale: all'origine della cosiddetta anisotropia di forma vi è l'interazione magnetostatica; l'anisotropia di stress è un effetto introdotto generalmente dalla deformazione subita dal reticolo cristallino a seguito di trattamenti termomeccanici; l'anisotropia di ricottura (annealing) magnetica è ottenuta mediante opportuni trattamenti termici al di sotto della temperatura di Curie, in presenza di un campo applicato. Altre forme di anisotropia, di particolare rilevanza nei sistemi nanostrutturati, sono l'anisotropia di superficie, di tipo uniassiale, e l'anisotropia di scambio, di tipo unidirezionale.

Materiali magnetici nanostrutturati

Nanoparticelle magnetiche

fig. 4

Le nanoparticelle magnetiche costituiscono sistemi modello per l'analisi dei meccanismi di inversione della magnetizzazione e offrono la possibilità di numerose applicazioni tecnologiche. In natura ne esistono di vari tipi, nelle rocce, negli organismi viventi e nell'atmosfera, e la possibilità di produrle artificialmente in maniera controllata conferisce un carattere interdisciplinare allo studio delle loro proprietà, che trovano applicazione in diversi settori: in medicina (per l'impiego nelle metodologie diagnostiche, quali la risonanza magnetica, e nelle terapie, quali l'ipertermia magnetica nella cura di tumori), in geologia, in biologia e in archeologia; nella catalisi, nella registrazione e nella sensoristica magnetica. Le particelle magnetiche mostrano come le proprietà di anisotropia, e quindi quelle del campo coercitivo, abbiano una forte dipendenza dalle dimensioni (fig. 4). In tali sistemi la configurazione di magnetizzazione dello stato fondamentale e il meccanismo di inversione della magnetizzazione dipendono dalla dimensione della particella stessa. Nella regione di singolo dominio (dimensioni delle particelle inferiori a ca. 100 nm) e in particolare al di sotto di circa 20 nm il meccanismo d'inversione della magnetizzazione è di tipo coerente; al di sopra di circa 20 nm sono invece energeticamente favoriti meccanismi di rotazione di tipo incoerente; infine per dimensioni maggiori di 100 nm si entra nel regime multidominio.

Per una particella a singolo dominio l'energia di anisotropia E_a è proporzionale al volume, ma, se quest'ultimo diminuisce al di sotto di un valore di soglia, E_a diventa confrontabile con k_BT e subentrano fenomeni cosiddetti di superparamagnetismo, in cui la direzione di magnetizzazione fluttua liberamente tra diverse regioni dello spazio.

Nei sistemi di nanoparticelle, per effetto dell'elevato rapporto tra superficie e volume, un contributo importante è fornito dall'anisotropia di superficie, causata dall'abbassamento di simmetria degli atomi di superficie rispetto a quelli all'interno della particella. Sospensioni colloidali stabili di nanoparticelle a singolo dominio di materiali ferromagnetici oppure ferrimagnetici (per es., Fe, Co, Ni, Fe₃O₄, BaFe₁₂O₁₉) in liquidi carrier (idrocarburi, esteri), dette fluidi magnetici o ferrofluidi, trovano diverse applicazioni, per esempio come inchiostri magnetici o cuscinetti meccanici, oppure per monitorare campi magnetici mediante la visualizzazione dei domini.

Nanomagneti molecolari

I nanomagneti molecolari sono costituiti da diversi ioni di metalli di transizione, che interagiscono attraverso legandi organici o inorganici e si comportano come particelle magnetiche a singolo dominio. Le proprietà quantistiche dei nanomagneti molecolari sono evidenziate dal fenomeno del tunnelling del momento magnetico. Il concetto semiclassico di tunnelling è associato a una particella che, senza avere energia sufficiente per valicare la barriera che separa due buche di potenziale metastabili, la attraversa per effetto tunnel. Nei nanomagneti il tunnelling permette che il vettore momento magnetico ruoti da una posizione di minimo di potenziale a un'altra; ciò fa sì che, a livello macroscopico, il rilassamento della magnetizzazione non dipenda dalla temperatura.

fig. 5

In un sistema magnetico caratterizzato da isteresi, la magnetizzazione subisce il rilassamento verso il minimo assoluto dell'energia libera con un meccanismo che, di solito, dipende dalla temperatura; al di sotto della temperatura di crossover, però, tale dipendenza viene meno a causa del tunnelling del momento magnetico. Una chiara indicazione di tunnelling risonante in magneti molecolari è fornita dalle curve di isteresi a gradino misurate, a diverse temperature, su Mn₁₂‒acetato (fig. 5), un esempio di nanomagnete a molecola singola costituito da ioni di transizione eguali e caratterizzato da forti interazioni di scambio tra gli ioni metallici.

Matrici di nanoparticelle

Le matrici (arrays) bidimensionali di nanoparticelle costituiscono un'importante classe di sistemi fisici modello e sono alla base di dispositivi magnetici e di magnetotrasporto miniaturizzati che si avviano verso campi di applicazione tecnologica sempre più vasti. Tecniche nanolitografiche avanzate consentono di fabbricare matrici a geometria prefissata e di controllare la dimensione e la forma delle nanoparticelle e la loro distanza relativa. L'isolamento di una singola particella magnetica e la misurazione della sua magnetizzazione mediante un micromagnetometro a SQUID (Superconducting quantum interference device) hanno permesso di verificare la teoria dei processi di magnetizzazione e la loro dipendenza dal volume e dalla forma della particella. Il controllo accurato della distanza relativa ha consentito un'analisi attenta degli effetti dell'interazione tra particelle. Per soddisfare la domanda di matrici di nanoparticelle su superfici estese sono state elaborate tecniche litografiche basate sull'interferenza di fasci laser (LIL, Laser integration line), nelle quali un materiale non ferromagnetico è decomposto su scala locale in isole ferromagnetiche.

Film sottili e multistrato; nanofìli

I film sottili e i multistrato mostrano una grande varietà di fenomeni e proprietà magnetiche di notevole interesse, che li pongono alla base della maggior parte degli attuali dispositivi magnetici e magnetoelettronici. Tra questi ricordiamo: l'anisotropia di superficie e interfaccia; la modificazione dell'anisotropia, da parallela a perpendicolare al piano per strati ultrasottili; la ridotta dimensionalità al diminuire dello spessore del film, con possibili effetti quantistici qualora lo spessore diventi confrontabile con la lunghezza d'onda di Fermi; l'ordine magnetico a temperatura finita, anche nel caso di spessori di alcuni monostrati atomici; il magnetismo in strati monoatomici di materiali non magnetici; l'accoppiamento oscillante tra strati ferromagnetici separati da uno strato non magnetico; l'accoppiamento di scambio tra una fase ferromagnetica e una fase antiferromagnetica (anisotropia di scambio); l'effetto exchange-spring nei multistrato, alla base degli spring magnets; le nuove fasi cristalline degli elementi di transizione; il pinning (ancoraggio) di pareti di dominio in strati magnetici monoatomici di Fe su W(110).

I fili magnetici di dimensioni nanometriche sono alla base di diverse applicazioni, tra cui quelle nel settore delle microonde. I nanofìli possono essere ottenuti depositando il materiale magnetico su superfici vicine, così da sfruttare l'anisotropia strutturale del substrato, ottenendo spessori fino a uno o due monostrati. La deposizione per via elettrochimica di materiali magnetici all'interno di cavità, per esempio in allumina porosa, permette di ottenere matrici di nanofìli di Fe, Co e Ni a geometria controllata, con diametro, a seconda delle condizioni di anodizzazione, tra 4 e 200 nm e lunghezza fino a circa 1 μm. Oltre ai metalli di transizione, sta aumentando l'interesse per la deposizione in matrici porose di leghe tipo Fe/Pt. Gli studi sul comportamento magnetico di matrici di nanofìli hanno riguardato essenzialmente la determinazione del tipo di anisotropia magnetica prevalente a seconda delle condizioni di fabbricazione e l'interazione magnetostatica tra fili, ma di recente l'attenzione si è spostata verso la comprensione dei processi di magnetizzazione: su scala nanometrica l'interazione di scambio non è trascurabile rispetto a quella magnetostatica e la magnetizzazione può essere invertita in modo quasi coerente.

Nanocompositi

I materiali nanocompositi, costituiti da particelle di diversa fase magnetica, e le particelle magnetiche disperse in matrici non magnetiche sono di notevole interesse nell'ambito dei materiali nanostrutturati. Le lunghezze di correlazione strutturale in tali sistemi vanno da circa 1 nm fino a qualche centinaio di nm. La preparazione di materiali nanocompositi può avvenire seguendo vari metodi, tra cui la sintesi chimica, l'alligazione meccanica, la condensazione in ambiente di gas inerte. Attraverso il controllo della granulometria, della composizione chimica e della natura delle interfacce si possono ottimizzare le proprietà magnetiche. Le interazioni di scambio all'interfaccia tra diverse fasi magnetiche sono all'origine delle eccellenti prestazioni dei nanocompositi magnetici, sia come materiali dolci sia come materiali duri. Rientrano tra i nanocompositi magnetici i già citati magneti orientati di tipo spring e i cosiddetti magneti isotropi, che mostrano un'anisotropia di tipo random e un incremento della magnetizzazione rimanente. I cosiddetti magneti superduri sono stati ottenuti mediante strutture nanocomposite, costituite da fasi nanocristalline dure e dolci accoppiate tra loro per scambio. Un'ulteriore classe di materiali magnetici nanocompositi comprende le leghe immiscibili, costituite da nanograni di metallo magnetico (Fe, Co, Ni) dispersi in una matrice metallica non magnetica e soggette a effetti magnetoresistivi giganti.

Applicazioni

Dispositivi magnetoelettronici

fig. 6

I dispositivi magnetoelettronici sono un prodotto della spintronica, settore in crescente sviluppo che ha aperto nuove frontiere nell'elettronica, attraverso l'integrazione e il controllo delle proprietà di carica e di spin nei semiconduttori e la generazione, manipolazione e rilevazione di correnti con spin polarizzato. Le proprietà fisiche di maggior interesse riguardo ai dispositivi cosiddetti magnetoelettronici sono varie, ma essenzialmente legate alle caratteristiche del ciclo d'isteresi e alle proprietà di trasporto in funzione del campo magnetico. Nei materiali magnetici, è possibile intervenire sullo spin elettronico mediante un campo magnetico esterno e variare la conducibilità elettrica senza alterare la distribuzione dei portatori di carica stessi: la magnetoresistenza gigante (GMR, Giant magnetoresistance) e la magnetoresistenza a effetto tunnel (TMR, Tunnelling magnetoresistance) sono a fondamento della cosiddetta magnetoelettronica, o spintronica. Il fenomeno della GMR, scoperto nel 1988, consiste nella variazione di resistenza elettrica per effetto di un campo magnetico ed è alla base di numerose applicazioni, per esempio nelle testine di lettura per dischi rigidi e nei sensori di campo magnetico. La variazione di resistenza del multistrato deriva dall'azione orientante che il campo applicato esercita sui momenti magnetici degli strati ferromagnetici: in assenza di campo, le magnetizzazioni degli strati ferromagnetici sono orientate antiparallelamente tra loro, mentre in presenza di un campo sufficientemente intenso la magnetizzazione del multistrato satura e la resistenza elettrica diminuisce, come illustrato schematicamente nella fig. 6.

fig. 7

Il fenomeno della magnetoresistenza gigante può essere osservato nel caso in cui tra gli strati ferromagnetici esista un accoppiamento di scambio di tipo antiferromagnetico, sebbene questa non sia una condizione necessaria per l'esistenza della GMR: la configurazione antiparallela, infatti, può essere ottenuta anche mediante strati ferromagnetici dolci e duri, con campi d'inversione della magnetizzazione diversi tra loro; in tal caso, per valori del campo magnetico che rientrano in un determinato intervallo, si realizza la configurazione antiparallela e si ha resistenza più elevata. L'effetto GMR è stato ottenuto anche con la struttura cosiddetta di valvola di spin (spin valve, fig. 7): uno strato magnetico (per es., Cu) separa due strati ferromagnetici (per es., CoFe), uno dei quali, detto bloccato, è a contatto con uno strato antiferromagnetico (per es., FeMn). La direzione della magnetizzazione dello strato ferromagnetico è fissata dall'interazione di scambio all'interfaccia FM/AFM, mentre quella dell'altro strato ferromagnetico (strato libero) si orienta in risposta al campo magnetico applicato. Le attuali testine di lettura per dischi rigidi utilizzano il sistema a valvola di spin e, per campi applicati dell'ordine di 1÷5 Oe, manifestano valori di GMR compresi tra il 16% e il 18%, mentre la saturazione della risposta si ha per campi dell'ordine di 10 Oe.

I sistemi magnetici granulari sono costituiti da precipitati ferromagnetici immersi in una matrice non magnetica metallica o isolante e rappresentano un altro sistema suscettibile di effetto GMR: l'orientazione casuale dei momenti magnetici è rimossa dall'azione orientante del campo magnetico e si ottiene così una diminuzione della resistenza elettrica. È possibile osservare anche la TMR dovuta al tunnelling di elettroni con spin polarizzato attraverso la barriera isolante. Le memorie non volatili di alta velocità e capacità, di prossima generazione, saranno presumibilmente basate su matrici di giunzioni magnetiche TMR. La cosiddetta magnetoresistenza colossale (CMR, Colossal magnetoresistance) si può osservare in strutture peroskitiche di Mn del tipo RE_1−xA_xMnO₃, dove RE è una terra rara (La, Nd, Gd) e A uno ione bivalente (per es., Sr, Ba, Ca). In tali sistemi, l'effetto CMR (con magnetoresistenza negativa) è essenzialmente legato alla transizione metallo-isolante in prossimità della temperatura di Curie e necessita di campi magnetici di alcuni tesla (1 T=10⁴ Oe), che attualmente ne rendono le prospettive applicative estremamente limitate.

Il fatto che alcuni materiali, detti semiconduttori magnetici, presentassero sia proprietà ferromagnetiche sia proprietà intrinseche dei semiconduttori era noto già dagli anni Sessanta e Settanta del XX secolo. L'inclusione di ioni magnetici in semiconduttori convenzionali dà luogo ai semiconduttori magnetici diluiti (DMS), che hanno proprietà di notevole interesse applicativo: comportamento ferromagnetico, correlazione tra ferromagnetismo e portatori di carica, anisotropia, effetti magnetoottici (per es., dicroismo magnetico circolare); le misurazioni di resistività al di sopra della temperatura critica indicano un accoppiamento di tipo antiferromagnetico tra lo spin dell'impurezza magnetica e gli stati di valenza dell'anione a essa più vicini. Lo schema teorico dedotto dai risultati sperimentali attribuisce l'origine del comportamento magnetico alla compresenza di momenti magnetici localizzati, le impurezze, e di portatori in grado di trasportare l'interazione magnetica, le lacune. Tale apparente semplicità tuttavia nasconde una notevole quantità di fenomeni fisici, in gran parte non ancora spiegati dalla teoria: le transizioni metallo-isolante, il ferromagnetismo mediato da portatori, gli effetti di disordine, magnetoresistivi, magnetoottici e gli effetti dinamici sulla magnetizzazione.

Nei dispositivi utilizzati comunemente la corrente non è polarizzata, vale a dire che gli elettroni o le lacune che trasportano l'informazione hanno stati di spin casuali. L'ordinamento magnetico renderebbe possibile controllare e modificare lo stato di spin della corrente, permettendo così di definire stati addizionali rispetto a quelli acceso/spento e, a parità di dimensioni e potenza dissipata, di trasportare e processare un numero maggiore di informazioni. Diversi metodi sono stati proposti e realizzati sia per intervenire sullo stato di spin all'interno del semiconduttore, sia per rilevare efficientemente lo stato di spin della corrente. La manipolazione dello spin dei portatori apre scenari completamente nuovi, che comprendono la possibilità di integrare le funzioni logiche e di registrazione, l'introduzione di operazioni logiche basate su effetti quantistici piuttosto che su effetti elettrici (quantum computing), la possibilità di emettere e assorbire luce con polarizzazione stabilita, l'integrazione di funzionalità ottiche, elettriche e magnetiche.

L'utilizzazione dello stato di spin per il trasporto e l'elaborazione dell'informazione va incontro ad alcune difficoltà, connesse all'iniezione di correnti spin-polarizzate; alle lunghezze di diffusione e ai tempi di vita medi dello stato di spin, che devono essere adeguati al trasporto e all'elaborazione; al controllo e alla manipolazione dello stato di spin; a un'efficiente rilevazione dello stato di spin della corrente in uscita. Recenti studi hanno evidenziato che in GaAs le lunghezze di diffusione e i tempi di vita medi caratteristici dello stato di spin sono, rispettivamente, di svariati μm e maggiori di 100 ns, quindi senz'altro adatti alla progettazione di un dispositivo. L'attesa rivoluzione tecnologica potrà essere innescata soltanto se i semiconduttori magnetici garantiranno alcuni requisiti, quali: stato ferromagnetico persistente a temperatura superiore a quella ambiente; dipendenza delle proprietà di trasporto e ottiche dallo stato magnetico del materiale; interazione di scambio per i portatori, di intensità tale da produrre forti effetti magnetoresistivi e di magnetoresistenza tunnel; grandi effetti magnetoottici per permettere la lettura ottica delle infomazioni; conservazione di tutte le caratteristiche fondamentali del semiconduttore.

Registrazione magnetica

I sistemi di registrazione magnetica su disco rigido derivano dall'integrazione di componenti tecnologici di tipo diverso: il mezzo magnetico in cui l'informazione è immagazzinata, le testine di lettura e scrittura, i servomeccanismi per il controllo della rotazione del disco e per il posizionamento delle testine, i canali di codificazione e decodificazione dell'informazione digitale. I dischi rigidi in commercio utilizzano la modalità di registrazione cosiddetta longitudinale, in cui la regione che costituisce il bit, ossia l'unità d'informazione, è magnetizzata lungo una direzione che giace nel piano del disco rigido. La testina di registrazione, costituita da elementi distinti per le funzioni di scrittura e lettura, viaggia a una distanza di circa 10 nm dalla superficie del mezzo magnetico; nella fase di scrittura, l'elemento induttivo genera un campo magnetico che permette di invertire la magnetizzazione di un bit. I mezzi magnetici convenzionali sono formati da strati sottili granulari in cui ciascun bit è costituito da un numero n elevato di grani magnetici, di norma alcune centinaia: ciò consente di ridurre statisticamente il rumore, in quanto il rapporto tra il segnale S e il rumore N è proporzionale a n^1/2.

I grani magnetici sono separati da uno strato non magnetico (per es., Cr), in modo da minimizzare l'accoppiamento tra grani. Per leggere l'informazione si misura il flusso magnetico uscente dalla regione di transizione tra due regioni con opposta magnetizzazione, mediante un elemento GMR in configurazione di valvola di spin; il segnale, letto con sistema analogico, è trasformato in un insieme di bit. Nella registrazione longitudinale il segnale è proporzionale alla densità areale di magnetizzazione, ossia a M_rt, dove M_r è la magnetizzazione rimanente e t lo spessore fisico del mezzo magnetico. Se, allo scopo di aumentare la densità superficiale d'informazione, si diminuiscono la lunghezza del bit e l'ampiezza della traccia magnetica, con la conseguente diminuzione della dimensione dei grani magnetici, generalmente insorgono fenomeni termicamente indotti, che portano a fluttuazioni nella direzione di magnetizzazione dei grani (superparamagnetismo) e alla perdita di informazione. Un'anisotropia elevata (alta K_u) permette l'uso di grani di minor volume, ma se essa oltrepassasse certi limiti, il campo magnetico necessario a invertire la direzione della magnetizzazione risulterebbe più intenso di quello prodotto dalla testina, cosicché la scrittura sarebbe impossibile. Per ottenere un aumento significativo della densità di registrazione è indispensabile ricorrere a soluzioni radicalmente diverse, che consentano di evitare i problemi associati al limite superparamagnetico. Ciò implica lo sviluppo di nuove strutture e architetture del mezzo magnetico.

I mezzi con anisotropia longitudinale costituiti da due strati ferromagnetici (per es., CoCrPtB), accoppiati antiferromagneticamente (AFC media) attraverso uno strato non magnetico (per es., Ru) sottile qualche decimo di nm, consentono di combinare insieme alta densità di registrazione (15 Gbit/cm²) e alta stabilità termica e sono utilizzati nei dischi commerciali di ultima generazione. Le previsioni di mercato sono concordi nel ritenere ormai prossimo il passaggio dalla modalità di registrazione di tipo longitudinale a quella perpendicolare, in cui la direzione di magnetizzazione del bit è perpendicolare alla superficie del disco. Numerosi vantaggi concorrono al raggiungimento di più elevate densità di registrazione, tra cui la riduzione degli effetti demagnetizzanti causati dai bit vicini e l'amplificazione del campo magnetico prodotto dalla testina di scrittura, mediante l'inserimento di uno strato ferromagnetico dolce (per es., permalloy Fe₂₀Ni₈₀) immediatamente al di sotto dello strato di registrazione (per es., Co-Pd). Nel marzo 2005 è stato presentato un prototipo per registrazione perpendicolare in grado di raggiungere densità di 230 Gbit/cm².

fig.8

Una tecnologia molto promettente è quella della scrittura termicamente assistita (TAR, Thermally assisted recording), che prevede il riscaldamento locale dei bit mediante un fascio laser, seguito dal rapido raffreddamento a temperatura ambiente, alla quale normalmente i dati sono immagazzinati e letti. La tecnologia TAR sfrutta la dipendenza dell'anisotropia del mezzo magnetico dalla temperatura, cioè la riduzione del campo coercitivo e del campo di inversione della magnetizzazione all'aumentare della temperatura. Ciò permette di scrivere su mezzi con anisotropia molto elevata, di ridurre il volume dei grani e quindi di raggiungere densità maggiori. Densità ancora più elevate sono potenzialmente ottenibili con i mezzi cosiddetti patterned, ad anisotropia perpendicolare: si tratta di mezzi ottenibili mediante tecniche nanolitografiche oppure di sintesi chimica, costituiti da una struttura regolare di bit della stessa dimensione e forma, equidistanti e dispersi in una matrice non magnetica (fig.8). Il bit rappresenta un'entità magnetica a singolo dominio, con forte anisotropia uniassiale, costituita da un solo grano o da un ridotto numero di grani accoppiati per scambio. I mezzi patterned offrono molti vantaggi rispetto ai mezzi convenzionali, costituiti da strati sottili continui, eterogenei e con anisotropia longitudinale: un volume più grande dei bit rispetto a quello dei singoli grani e quindi una maggiore stabilità termica; una riduzione della distribuzione dei campi di inversione della magnetizzazione; un più elevato rapporto tra segnale e rumore; il mantenimento della tecnologia del disco rigido rotante. Per raggiungere densità dell'ordine del Tbit/cm² (1 Tbit=10¹² bit) sono richieste tecniche nanolitografiche ad alta risoluzione, quali EBL (Electron beam lithography) e FIB (Focused ion beam), in grado di realizzare bit dell'ordine della decina di nanometri.

Accanto alla registrazione magnetica, un altro sistema per immagazzinare informazioni è quello delle memorie non volatili GMR, in cui l'informazione è letta o scritta per il tramite di impulsi di corrente, che individuano la direzione di magnetizzazione di ciascun bit. Gli strati magnetici hanno differente spessore e quindi diverso campo coercitivo, e sono separati da uno strato non magnetico in modo da favorire l'orientazione antiparallela della magnetizzazione: lo strato superiore ha funzione di rilevazione, quello inferiore d'immagazzinamento. La scrittura dell'informazione, che avviene attraverso l'inversione della direzione della magnetizzazione, richiede campi magnetici più intensi rispetto a quelli necessari alla lettura del bit; nel processo di lettura, la direzione della magnetizzazione dello strato sensore è allineata parallelamente a quella dello strato di memorizzazione, realizzando così uno stato a bassa resistenza.

Sensori e attuatori magnetici

Gli effetti magnetoelastici sono riconducibili ai meccanismi d'interazione che collegano a livello microscopico elasticità e magnetismo; in particolare, dipendono dall'effetto magnetostrittivo, o magnetoelastico diretto, e dall'effetto magnetomeccanico, o magnetoelastico inverso. Il primo consiste nel fatto che un qualsiasi materiale magnetico, se magnetizzato, si deforma; il secondo nel fatto che l'intensità di magnetizzazione varia qualora un ferromagnete, portato in uno stadio intermedio di magnetizzazione mediante un campo esterno, subisca una deformazione (effetto Villari). L'effetto magnetostrittivo è alla base di dispositivi per produrre spostamenti e deformazioni quasi-statici, negli attuatori, oppure vibrazioni a frequenza prefissata, negli oscillatori; in entrambi i casi le deformazioni sono controllate mediante un campo esterno, che magnetizza il sensore. Le applicazioni dell'effetto magnetomeccanico sono soprattutto nell'ambito della sensoristica delle deformazioni, statiche nei sensori di pressione e dinamiche nei sensori di vibrazione; le misurazioni sono effettuate rilevando le variazioni indotte nella magnetizzazione del materiale sensore.

Un buon materiale magnetostrittivo permette di ottenere una deformazione relativa considerevole anche con deboli campi magnetizzanti, mentre un buon materiale magnetomeccanico è quello in cui piccole deformazioni indotte producono un'elevata variazione dell'intensità di magnetizzazione. Materiali magnetoelastici sotto forma di strati sottili hanno trovato applicazione in meccanica, con le micropompe, in elettronica, con i microinterruttori, e in biomedicina, con i microsensori di pressione e i microviscosimetri. I materiali magnetostrittivi si rivelano, in tali applicazioni, particolarmente interessanti, in quanto la loro risposta è molto più rapida di quella dei materiali a memoria di forma e la loro densità di energia è superiore a quella dei materiali piezoelettrici; poiché, inoltre, sono trasduttori a stato solido, non necessitano dell'applicazione di contatti elettrici e possono quindi lavorare a distanza. Un altro vantaggio dei materiali magnetoelastici rispetto a quelli piezoelettrici e con memoria di forma è che possono essere eccitati in flessione e in torsione, il che ha permesso per esempio di realizzare uno scansionatore magnetostrittivo. I sistemi microelettromeccanici magnetici (MagMEMS, Magnetic microelectromechanical systems) costituiscono uno dei più recenti sviluppi dei sistemi microelettromeccanici, in cui le funzioni di tipo attivo degli attuatori o di tipo passivo dei sensori sono ottenute combinando materiali magnetici dolci e duri con un sistema di controllo, integrato o remoto.

Refrigerazione magnetica

L'effetto magnetocalorico (MCE) si produce in tutti i materiali magnetici: se, in prossimità della temperatura di transizione, si applica in modo adiabatico un campo magnetico, il contributo magnetico all'entropia del corpo diminuisce; perché l'entropia totale rimanga costante, aumenta allora il contributo reticolare e con esso la temperatura. Il riscaldamento o il raffreddamento di un materiale magnetico in risposta all'applicazione adiabatica di campi esterni è quindi simile a quello di un gas sottoposto a compressioni ed espansioni adiabatiche. In condizioni di equilibrio, la variazione isoterma di entropia magnetica può essere determinata a partire dalla misurazione della magnetizzazione in funzione del campo magnetico, integrando poi numericamente la relazione di Maxwell che, fissato il campo magnetico, fa dipendere la variazione di entropia dal modo in cui si modifica la magnetizzazione con la temperatura:

[1] formula.

Grandi variazioni di entropia magnetica richiedono che la magnetizzazione cambi in misura notevole al variare della temperatura, come avviene nel caso delle transizioni magnetiche del primo ordine indotte dalla temperatura o dal campo magnetico, ma diversamente da ciò che accade in quelle del secondo ordine. Per massimizzare l'effetto è essenziale avere un elevato valore di magnetizzazione nello stato ordinato. Leghe metalliche ricche di Gd o di Mn si rivelano estremamente interessanti, come dimostra la recente scoperta del cosiddetto effetto magnetocalorico gigante nella lega intermetallica Gd₅(Si_xGe_1−x)₄, nella quale, per una variazione di campo magnetico di 5 T a 270 K, è stata osservata una variazione di entropia magnetica ΔS_mag=20 J/(kg∙K), due volte superiore rispetto al migliore ΔS_mag precedentemente conosciuto. Materiali magnetici con elevato MCE potrebbero essere impiegati come refrigeranti solidi in sostituzione dell'attuale tecnologia basata su cicli di compressione ed espansione di gas. Ciò garantirebbe un basso impatto ambientale, per l'assenza di CFC o NH₃; l'elevato grado di reversibilità del MCE permetterebbe di raggiungere un'efficienza termodinamica vicina al 60% del limite teorico, contrapposto al 40% ottenibile con i migliori refrigeratori a gas, con risparmio di energia e diminuzione del rilascio di CO₂ nell'atmosfera.

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