Polarizzabilità magnetoelettrica: Una panoramica

È un concetto chiave nel campo moderno della scienza dei materiali e spiega la capacità di alcuni materiali di accoppiare risposte elettriche e magnetiche all'interno di un'unica struttura. Ciò significa che un campo elettrico applicato influisce sullo stato magnetico del materiale e, viceversa, la polarizzazione elettrica è influenzata da un campo magnetico. Poiché nella maggior parte dei materiali l'elettricità e il magnetismo sono trattati come proprietà indipendenti, la capacità di sintonizzare l'una utilizzando l'altra apre molte prospettive per le tecnologie emergenti, in particolare quelle che richiedono un controllo preciso con un consumo energetico molto basso.

A livello microscopico, la polarizzabilità magnetoelettrica ha origine dalle interazioni dei dipoli elettrici con i momenti magnetici. Le interazioni sono strutturate e direzionali e la forza dell'accoppiamento è descritta dal tensore magnetoelettrico. Questo tensore cattura l'ampiezza e la direzione della risposta di un materiale e fornisce quindi agli scienziati un modo quantitativo di selezionare i materiali per l'idoneità ad applicazioni legate all'archiviazione della memoria, al rilevamento e ai dispositivi spintronici.

Equazione chiave

Un'espressione comunemente usata per descrivere il comportamento magnetoelettrico è la seguente:

P = χe ε0 E + α H

In questa equazione:

- P è la polarizzazione elettrica,

- χₑ è la suscettibilità elettrica,

- ε₀ è la permittività del vuoto,

- E rappresenta il campo elettrico applicato.

- α è il coefficiente di accoppiamento magnetoelettrico,

- H è l'intensità del campo magnetico.

Il termine con αH rappresenta l'effetto magnetoelettrico: il campo magnetico applicato, inoltre, provoca una polarizzazione elettrica. I materiali con un α più elevato presentano un accoppiamento incrociato più forte e quindi sono di maggiore interesse per l'ingegneria dei dispositivi avanzati.

Storia e sviluppo della ricerca magnetoelettrica

Sebbene la connessione tra elettricità e magnetismo sia nota fin dal XIX secolo, solo a metà del XX secolo è iniziata la ricerca sui materiali che presentano un effetto magnetoelettrico lineare diretto. Nel 1959 Landau e Lifshitz fornirono la base teorica per indicare che alcune simmetrie dei cristalli avrebbero permesso l'accoppiamento incrociato tra campi elettrici e magnetici. Infine, una conferma sperimentale nel 1960 da parte di Dzyaloshinskii, che aveva previsto l'effetto nel Cr₂O₃, fu osservata sperimentalmente poco dopo da Rado e Folen.

Questa scoperta ha dato il via a un'intensa attività di ricerca di nuove risposte magnetoelettriche, più forti e più sintonizzabili. Nel corso degli anni '80 e '90, la ricerca si spostò oltre i semplici ossidi antiferromagnetici per includere studi su perovskiti complesse, manganiti di terre rare e compositi stratificati. È stato all'inizio degli anni 2000 che sono stati riscoperti i multiferroici, materiali come BiFeO₃ che presentano un ordinamento magnetico e ferroelettrico colineare. Questi multiferroici hanno ampliato notevolmente la possibilità di applicazioni a temperatura ambiente.

Dispositivi ad alta efficienza energetica, calcolo neuromorfico, attuatori su scala nanometrica e nuove architetture spintroniche sono oggi alla base della ricerca magnetoelettrica. Le scoperte più recenti riguardano materiali topologici, eterostrutture artificiali e film sottili modificati in base alla deformazione che presentano un comportamento magnetoelettrico ancora più esotico. Quello che era iniziato come una curiosità teorica è diventato un argomento centrale della fisica della materia condensata e dell'elettronica di prossima generazione.

Magnetoelettrico vs. Elettromagnetico: La differenza

L'effetto magnetoelettrico è stato spesso confuso con i fenomeni elettromagnetici generali, ma le due cose si distinguono nettamente in modo significativo. L'elettromagnetismo descrive il modo in cui i campi elettrici e magnetici si influenzano reciprocamente nello spazio, come codificato nelle equazioni di Maxwell. L'accoppiamento tra campi elettrici e magnetici variabili è universale e si verifica in tutti i mezzi, compreso lo spazio vuoto.

Sebbene il comportamento magnetoelettrico sia una proprietà dei materiali, tale magnetoelettricità si verifica solo nei solidi in cui gli ordini elettrici e magnetici coesistono o interagiscono attraverso il reticolo cristallino. In questo caso, l'accoppiamento non è una conseguenza di una legge di natura, ma della rottura della simmetria, delle interazioni spin-orbita o delle distorsioni del reticolo. In altre parole, tutti i materiali obbediscono alle leggi dell'elettromagnetismo, ma solo alcuni possiedono un accoppiamento magnetoelettrico intrinseco.

Questa è una differenza essenziale che entra in gioco nelle applicazioni. Anche se le onde elettromagnetiche creano campi nell'aria o nel vuoto, la polarizzabilità magnetoelettrica consente agli ingegneri di manipolare le proprietà dei materiali: ad esempio, di commutare la magnetizzazione con la tensione anziché con la corrente. Il magnetismo controllato dalla tensione riduce enormemente il consumo di energia, motivo principale dell'integrazione dei materiali magnetoelettrici nei dispositivi logici e di memoria a bassa energia.

Esempi di materiali magnetoelettrici

Diversi materiali studiati in dettaglio presentano una forte polarizzabilità magnetoelettrica:

• Cr₂O₃ (ossido di cromo) - Il materiale magnetoelettrico originale, stabile e antiferromagnetico.
• BiFeO₃ è un multiferroico a temperatura ambiente con ordine ferroelettrico e antiferromagnetico coesistenti.
• TbMnO3 è una manganite di terbio che presenta strutture magnetiche complesse, dando origine a interazioni magnetoelettriche sintonizzabili.

Per saperne di più sui materiali magnetoelettrici, visitate il sito Stanford Advanced Materials at SAM.

Applicazioni della polarizzabilità magnetoelettrica

Il valore dei materiali magnetoelettrici deriva dalla grande varietà di tecnologie rese possibili dall'accoppiamento diretto tra risposte elettriche e magnetiche. Il rilevamento e l'attuazione si basano su un controllo estremamente sensibile dello stato magnetico attraverso campi elettrici per rilevare campi o movimenti meccanici. La memoria non volatile impiega la scrittura magnetoelettrica come sostituto della memorizzazione tramite campi magnetici, riducendo potenzialmente il consumo di energia a fronte di una conservazione costante delle informazioni. I materiali magnetoelettrici nella spintronica consentono di manipolare il trasporto degli spin con la tensione anziché con la corrente, il che contribuisce a migliorare l'efficienza e a ridurre la dissipazione di calore.

Con la riduzione delle architetture dei dispositivi e l'aumento delle richieste di efficienza, i materiali con un forte accoppiamento magnetoelettrico sono diventati parte integrante dei sistemi elettronici di prossima generazione.

Domande frequenti

Che cos'è la polarizzabilità magnetoelettrica?

È la proprietà di alcuni materiali che permette ai campi elettrici di indurre una polarizzazione magnetica e ai campi magnetici di indurre una polarizzazione elettrica.

Perché la polarizzabilità magnetoelettrica è importante?

Le applicazioni prevedono il controllo dello stato magnetico a bassa energia, essenziale per i sensori, i dispositivi di memoria e le tecnologie spintroniche.

Tutti i materiali presentano un comportamento magnetoelettrico?

No, solo i materiali magnetoelettrici o multiferroici che presentano una simmetria cristallina e un ordinamento appropriati possono manifestare questo effetto.

Come si misura la polarizzabilità magnetoelettrica?

I ricercatori applicano campi elettrici e magnetici controllati e misurano la polarizzazione o la magnetizzazione indotta.

Quali sono i problemi relativi alle applicazioni pratiche?

Le principali sfide riguardano la ricerca di materiali con un forte accoppiamento magnetoelettrico a temperatura ambiente e l'integrazione di questi materiali nelle architetture dei dispositivi esistenti.