Il biossido di rutenio, indicato dalla formula RuO2, è un ossido metallico impiegato come conduttore, materiale quantistico ed elettrocatalizzatore industriale, ma le sue proprietà magnetiche restano controverse. Una ricerca pubblicata su Science Advances mostra ora che strati ultrasottili del materiale possono sviluppare segnali compatibili con un ordine magnetico quando il reticolo cristallino viene mantenuto sotto deformazione epitassiale. Il gruppo ha studiato film spessi 2 nanometri, cresciuti su substrati a base di biossido di titanio, rilevando una particolare distribuzione dello spin degli elettroni legata al loro momento.
- I ricercatori hanno esaminato film di RuO2 completamente deformati e spessi 2 nanometri.
- La distribuzione dello spin osservata non è stata spiegata dalla struttura polare non magnetica né dagli artefatti sperimentali considerati.
- I risultati sono compatibili sia con un debole ferromagnetismo sia con l’altermagnetismo.
- Le misurazioni sono state effettuate a circa 15 kelvin, all’incirca -258 °C.
La deformazione del reticolo cambia il comportamento elettronico
Nel materiale massivo, cioè in cristalli di dimensioni ordinarie, il biossido di rutenio è generalmente considerato non magnetico. Gli studi precedenti, tuttavia, hanno prodotto risultati contrastanti: alcuni avevano associato RuO2 a un ordine magnetico, a effetti Hall insoliti e a un’efficiente conversione tra spin e carica; altri non avevano trovato ordine magnetico nei campioni massivi o nei film rilassati.
Un lavoro precedente aveva inoltre escluso proprietà altermagnetiche fino a uno spessore di 5 nanometri. Restava però poco esplorata la condizione dei film inferiori a circa 4 nanometri, ancora interamente sottoposti alla deformazione imposta dal substrato e analizzati contemporaneamente in funzione del momento e dello spin.
La deformazione epitassiale nasce quando un film cristallino cresce seguendo la struttura del materiale sottostante. Se le rispettive distanze atomiche non coincidono, il reticolo dello strato può essere compresso o allungato. Nei film molto sottili tale vincolo può modificare le bande elettroniche e, di conseguenza, favorire stati che non compaiono nello stesso materiale in forma massiva o rilassata.
In questo caso la deformazione del reticolo sembra agire come una manopola capace di far emergere un comportamento magnetico assente nel biossido di rutenio massivo.
Le misure distinguono il segnale dagli artefatti sperimentali
Per esaminare i film, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo e spin, una tecnica che permette di misurare energia, momento e orientamento dello spin degli elettroni. Due diverse geometrie di misurazione sono servite a separare le caratteristiche intrinseche del materiale da possibili effetti prodotti dall’apparato sperimentale.
Controlli con raggi X e misure ottiche hanno poi verificato la struttura e la simmetria dei campioni. L’analisi ha individuato una configurazione dello spin dipendente dal momento che, secondo gli autori, non può essere attribuita né alla struttura polare non magnetica del film né agli artefatti noti presi in considerazione.
Il risultato indica la presenza di un ordine magnetico intrinseco, ma non stabilisce ancora se si tratti di debole ferromagnetismo oppure di altermagnetismo.
Un altermagnete presenta un ordine magnetico interno pur avendo una magnetizzazione complessiva ridotta o nulla. Questa combinazione lo rende interessante per la spintronica, che punta a elaborare e conservare informazioni sfruttando non soltanto la carica elettrica, ma anche lo spin degli elettroni.
La temperatura ambiente resta il passaggio decisivo
Lo studio lascia aperto un limite importante: gli esperimenti sono stati condotti a circa 15 kelvin. Non è quindi noto se la struttura magnetica osservata sopravviva a temperatura ambiente, condizione necessaria per valutare applicazioni pratiche.
Se ricerche successive dimostrassero che l’effetto può essere controllato in condizioni più accessibili, il RuO2 deformato potrebbe offrire una piattaforma per componenti spintronici a basso consumo. In prospettiva, ciò potrebbe implicare una strada regolabile verso sensori, memorie e altri dispositivi basati su eterostrutture di ossidi, senza dipendere esclusivamente dai ferromagneti convenzionali. Si tratta però di una possibilità tecnologica, non di un’applicazione già dimostrata dal lavoro.
La deformazione controllata dei materiali può diventare uno strumento concreto per la futura elettronica? Condividete la vostra opinione sulle prospettive della spintronica.
