Foto: Windell Oskay | Flickr

Un solo strato di atomi. È ciò di cui è costituito il magnete realizzato dagli scienziati dell’Università di Berkeley, in California. Per la prima volta, infatti, i ricercatori hanno ottenuto un materiale di sole due dimensioni con caratteristiche ferromagnetiche. Non solo, si tratta del primo magnete che è chimicamente stabile a temperatura ambiente. E proprio come l’avvento del grafene sta cambiando le sorti di numerosi settori industriali, un materiale di questo tipo potrà gettare le basi per lo sviluppo della tecnologia, in particolare quella dei dispositivi di memoria, e per la ricerca sul ferromagnetismo e sulla fisica quantistica. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Communication.

Come si costruisce un magnete monoatomico

Quando, negli ultimi anni, sono state scoperte le proprietà ferromagnetiche di particolari materiali chiamati cristalli bidimensionali di Van der Waals (cristalli cioè costituiti da un solo strato di atomi, e perciò sostanzialmente a due dimensioni), le interazioni tra le componenti subatomiche hanno suscitato un grandissimo interesse nell’ambito della ricerca.

Gli elettroni, tra le altre cose, possono essere paragonati a magneti molto piccoli: ogni elettrone, infatti, possiede due poli magnetici opposti e un proprio minuscolo campo magnetico. Mentre nella maggior parte dei materiali gli orientamenti magnetici degli elettroni si annullano a vicenda, nel caso dei materiali ferromagnetici (per esempio, le calamite) si allineano nella stessa direzione, determinando caratteristiche specifiche del materiale. In realtà, quindi, il ferromagnetismo nei cristalli bidimensionali era stato già scoperto.

Tuttavia, i materiali studiati finora presentavano numerose limitazioni, prime tra tutte una mancanza di stabilità a temperatura ambiente, cosa che li rendeva inapplicabili a livello pratico. Ora i ricercatori statunitensi, guidati dallo scienziato dei materiali Jie Yao, sono riusciti a realizzare un materiale bidimensionale con proprietà magnetiche e stabile alle condizioni ambientali. In più, è il più sottile mai costruito, raggiungendo per la prima volta la vera e propria bidimensionalità, ovvero un solo strato atomico.

Rappresentazione grafica della composizione dell’ossido di zinco Van der Waals drogato con cobalto (Berkeley Lab)

La miscela vincente

Il materiale in questione è chiamato ossido di zinco Van der Waals drogato con cobalto. Si tratta di un materiale ottenuto combinando ossido di grafene, zinco e cobalto. La miscela viene portata ad alte temperature nel vuoto, e poi viene fatta raffreddare, dando luogo un singolo strato di ossido di zinco, inframmezzato da atomi di cobalto e racchiuso tra strati di grafene (ovvero il materiale dallo spessore monoatomico costituito da atomi di carbonio disposti in un reticolo a celle esagonali).

Un’ultima fase ad alta temperatura brucia gli strati di grafene, lasciando soltanto lo strato monoatomico di ossido di zinco con gli atomi di cobalto. Per verificare la struttura e lo spessore del materiale, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione e a trasmissione, analizzando il magnete atomo per atomo. Il film ottenuto è rimasto con proprietà ferromagnetiche e stabili non solo a temperatura ambiente, ma anche a temperature vicine a 100° C. L’ossido di zinco di per sé non è un materiale ferromagnetico, mentre il cobalto sì. I ricercatori hanno ipotizzato che gli elettroni liberi dell’ossido di zinco (cioè quelli non legati strettamente a un nucleo di un atomo) mantengano gli atomi di cobalto orientati nella stessa direzione magnetica anche a temperature elevate.

Le prospettive future

“Siamo i primi a realizzare un magnete 2D a temperatura ambiente che è chimicamente stabile in condizioni ambientali – ha affermato Yao -. I magneti 2D all’avanguardia richiedono temperature molto basse per funzionare. Ma per motivi pratici, un data center deve funzionare a temperatura ambiente“. I data center sono proprio una delle possibili applicazioni derivanti da questa scoperta: il magnete potrebbe essere utilizzato anche per produrre dispositivi di memoria leggeri e flessibili.

Oltre a questo, si aprono nuove strade per la ricerca: il materiale potrebbe servire per studiare le interazioni magnetiche tra atomi in fisica quantistica o studiare lo spin degli elettroni. Le possibilità sono davvero numerose. “I nostri risultati sono persino migliori di quanto ci aspettassimo, il che è davvero entusiasmante. La maggior parte delle volte nella scienza, gli esperimenti possono essere molto impegnativi – conclude Yao -. Ma quando finalmente realizzi qualcosa di nuovo, è sempre molto appagante.”

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Un materiale, costituito da un solo strato di atomi, ha dimostrato di avere proprietà magnetiche anche a temperatura ambiente: una base per nuove possibili applicazioni tecnologiche
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