Un nuovo tipo di magnete ha promesso una memoria 1.000 volte più veloce. Quanto ci siamo vicini?

Tipi di magnetismo

Esistono due tipi di magneti. O almeno credevamo. Il primo lo conosci: la calamita da frigo aderisce, la bussola punta a nord. Il secondo, descritto negli anni Trenta, non aderisce a nulla.

I suoi atomi sono magnetizzati dentro, ma fuori non sembra un magnete. Nel 2024, esperimenti confermarono che alcuni materiali silenziosi sono un terzo tipo. I fisici lo chiamano altermagnetismo: uno schema magnetico nascosto, diverso secondo la direzione nel cristallo. Nel luglio duemilaventisei, i tre fisici che lo definirono vinsero il Premio Europhysics.

Alcuni video promettono elettronica mille volte più veloce. Il mille compare in un comunicato universitario, ma è una previsione, non una misura. Cos'è questo terzo magnete, perché nominarlo ha richiesto tanto e quanto manca all'utilità pratica?

Il magnetismo nasce dagli elettroni

Il magnetismo nasce soprattutto dagli elettroni. Ogni elettrone è un minuscolo magnete, legato alla proprietà quantistica chiamata spin. Nella maggior parte dei materiali, questi magneti puntano ovunque e si annullano. Nel ferro, si allineano nello stesso verso tra enormi quantità di atomi.

Quegli atomi sommano un campo percepibile: è un ferromagnete. I ferromagneti sono noti da millenni, dicono i fisici. Immagina un campo sportivo pieno di persone, tutte rivolte a nord. Dagli spalti vedresti una folla rivolta allo stesso modo.

In un ferromagnete, gli elettroni con spin su e giù hanno energie diverse. I fisici lo chiamano separazione di spin. Così si leggono anche elettricamente: in un dispositivo a strati, l'allineamento di due strati cambia la resistenza. Ricorda: campo esterno ed energie elettroniche separate dallo spin.

Il terzo magnete ne conserva una e perde l'altra.

L'ordine nascosto di Néel

Nella tesi del 1932, il fisico francese Louis Néel propose un'idea diversa. I magneti atomici vicini potevano puntare in direzioni opposte. Nel 1936 descrisse un cristallo con due gruppi intercalati di atomi, uno in su e l'altro in giù. I gruppi si annullano: la magnetizzazione totale è zero.

Questo è l'antiferromagnetismo. Una scacchiera alterna caselle bianche e nere, grigie da lontano. I neutroni, piccoli magneti, permisero di vedere direttamente quell'ordine nascosto. Ernest Wollan iniziò esperimenti con neutroni al Reattore di grafite di Oak Ridge nel 1944; Clifford Shull lo raggiunse nel 1946.

Nel 1949, Shull e il collega Smart puntarono neutroni sull'ossido di manganese. Trovarono nuovi picchi di diffrazione: lo schema magnetico si ripeteva al doppio della distanza su ogni asse cristallino. La scacchiera nascosta era reale. Louis Néel condivise il Nobel per la Fisica 1970 per il lavoro su antiferromagnetismo e ferrimagnetismo.

Il ferrimagnetismo è simile, ma magneti atomici opposti di dimensioni diverse lasciano magnetizzazione netta. A rigore, quindi, non esistettero mai solo due tipi di magneti. Esistono anche spirali, stati vetrosi congelati con atomi bloccati in un groviglio e altri orientamenti. Per atomi rivolti dritti in su o in giù, però, i manuali mantennero una divisione semplice.

Tutti allineati: ferromagnete. Alternati e annullati: antiferromagnete. Nella lezione Nobel, Néel definì gli antiferromagneti molto interessanti in teoria, ma senza applicazioni, a suo dire. Per decenni, sembrò così.

Silenzioso, ma difficile da leggere

Poi decollò l'archiviazione magnetica. Nel 1988, Albert Fert e Peter Grünberg scoprirono indipendentemente la magnetoresistenza gigante. Trasforma piccoli cambiamenti magnetici in differenze di resistenza elettrica. Le prime testine per dischi rigidi arrivarono nel 1997; la scoperta vinse il Nobel per la Fisica 2007.

I chip MRAM memorizzano bit come magneti, conservando i dati senza alimentazione. Ma un bit ferromagnetico ha un problema intrinseco. Il suo campo esce come campo disperso, così bit vicini si disturbano. Un antiferromagnete ha quasi zero campo disperso, eliminando questo disturbo tra bit vicini.

In una prova, campi fino a 12 tesla, unità dell'intensità magnetica e oltre mille volte il campo di una calamita da frigo non disturbarono bit antiferromagnetici. Gli antiferromagneti possono anche essere più veloci. Nel 2018, un gruppo scrisse dati in una memoria di rame, manganese e arsenico con impulsi da 250 picosecondi,

ciascuno un quarto di miliardesimo di secondo, fino a 4 gigahertz, cioè quattro miliardi di cicli al secondo. Poi usò impulsi terahertz, luce oscillante mille miliardi di volte al secondo; duravano circa un picosecondo, un bilionesimo di secondo. Secondo loro, nei ferromagneti una commutazione simile non superava molto i 5 gigahertz. Stimavano che un ferromagnete a velocità terahertz, rispetto al loro antiferromagnete,

avrebbe richiesto 100 volte più corrente nella stessa area e circa 1.000 volte più energia. Quindi gli antiferromagneti sono stabili, compatti e veloci. Ma ricavarne un forte segnale elettrico è più difficile. Il fisico Libor Šmejkal chiamò la magnetizzazione un "nemico" e una proprietà utile.

Gli antiferromagneti si leggono elettricamente, ma manca loro la forte separazione di spin dei dispositivi ferromagnetici. Riducono il crosstalk magnetico, l'interferenza tra bit vicini, ma sono più difficili da leggere e controllare. Gli ingegneri volevano un magnete silenzioso come un antiferromagnete, ma con elettroni leggibili come in un ferromagnete.

La rotazione mancante

Nel gennaio 2019, Šmejkal, Jairo Sinova, Tomáš Jungwirth e il collega González-Hernández pubblicarono una previsione su alcuni antiferromagneti. Dissero che alcuni, pur con piccoli magneti atomici annullati, potevano produrre un segnale Hall: una tensione trasversale alla corrente, tipica dei ferromagneti.

Nel 2022, Šmejkal, Sinova e Jungwirth, lavorando a Magonza, Germania, e Praga, Repubblica Ceca, pubblicarono una classificazione completa. Classificarono per simmetria i magneti dai momenti atomici annullati: quali movimenti lasciano invariato lo schema? Quale movimento trasforma gli atomi rivolti in su in quelli rivolti in giù? In un antiferromagnete, un passo o un ribaltamento centrale porta gli atomi in su su quelli in giù.

E deve coincidere anche con gli atomi circostanti. Nella nuova classe, nessun passo o ribaltamento basta: agli atomi vicini serve una rotazione. Il gruppo propose il nome altermagnetismo. Science News prese un'immagine dall'arte: se un antiferromagnete è una scacchiera, un altermagnete

è una tassellatura di M. C. Escher, forme incastrate senza spazi. Le tessere vicine cambiano colore e ruotano. L'atomo magnetico non ruota, ma ruota ciò che lo circonda. Ogni atomo magnetico sta in una gabbia di atomi vicini, come ossigeno o tellurio.

In un altermagnete, la gabbia dell'atomo in su punta in una direzione; quella dell'atomo in giù è ruotata. E, scrissero, l'altermagnetismo può comparire in cristalli di comuni elementi leggeri.

Elettroni separati dalla direzione

La gabbia ruotata cambia il moto degli elettroni. In un altermagnete, spin su e giù hanno energie diverse, come nei ferromagneti. La differenza dipende dalla direzione e cambia segno quando l'elettrone ruota. Immagina un incrocio a quattro strade.

Sulla strada nord-sud, gli spin su hanno la corsia veloce. Su quella est-ovest, gli spin giù. I momenti opposti si annullano nel cristallo: nessun campo esterno. Una corrente lungo una strada può favorire uno spin.

È questo segno alternato a cui allude il nome altermagnete. Nei casi semplici, lo schema sembra un quadrifoglio, paragonato dagli autori ai superconduttori d-wave, dove l'accoppiamento elettronico forma quattro lobi simili. L'effetto non richiede accoppiamento spin-orbita, legame tra spin e moto elettronico, più forte negli atomi pesanti.

Nei calcoli sul diossido di rutenio, la separazione arrivava a circa un elettronvolt per elettroni in certe direzioni. Confrontato nel 2022, era circa dieci volte il record di separazione relativistica in cristalli massicci, solidi anziché strati sottili, con elementi pesanti. Un elettronvolt è minuscola energia, ma per gli elettroni in un cristallo è molto.

Poi le prove. Nel febbraio 2024, un gruppo internazionale misurò il tellururo di manganese, MnTe, alla Swiss Light Source del Paul Scherrer Institute. MnTe era classificato come normale antiferromagnete.

Usarono fotoemissione risolta in spin: la luce espelle elettroni e misura energia, direzione e spin. La separazione c'era; il risultato uscì su Nature. A Tohoku University, in Giappone, misurarono in MnTe fino a 0,8 elettronvolt di separazione in direzioni particolari. MnTe mantiene l'ordine magnetico fino a 307 kelvin, circa 34 gradi Celsius.

Nel marzo 2024, Magonza riportò la separazione in film sottili, strati sottili, di antimoniuro di cromo, buon conduttore di cromo e antimonio, cioè CrSb. Nel 2025, un altro gruppo mappò la separazione in CrSb in tre dimensioni. Fino a circa 1,0 elettronvolt, vicino all'energia degli elettroni che trasportano corrente.

CrSb resta ordinato fino a circa settecentocinque kelvin, all'incirca quattrocentotrenta gradi Celsius. Lo schema, più complesso di un quadrifoglio, ha più lobi: i fisici lo chiamano g-wave. Più tardi nel 2024, l'Università di Nottingham guidò un gruppo che fotografò MnTe con raggi X al laboratorio MAX IV in Svezia. In un film di trenta nanometri, migliaia di volte più sottile di un capello, a circa meno centosettantatré gradi Celsius,

vide vortici e antivortici, che ruotano in direzioni opposte. Sagomando il film o raffreddandolo in campo magnetico, potevano predisporre gli assetti desiderati. Peter Wadley disse: "È come l'antiferromagnetismo con una torsione". Secondo l'Università di Magonza, Science inserì l'altermagnetismo tra le scoperte del 2024.

Correzione alla storia semplice: MnTe non è perfettamente annullato. Conserva una minuscola magnetizzazione residua: circa un millesimo della forza magnetica di un elettrone per atomo di manganese. È poca, ma i ricercatori possono usarla per controllare l'ordine magnetico.

Nascosto nel cassetto

Tomáš Jungwirth ha detto che l'altermagnetismo esiste "in molti cristalli che la gente aveva semplicemente nei cassetti". Una stima di banca dati, riportata da Science News, contava duecentotrentadue candidati altermagnetici. Più dei centonovantatré candidati ferromagnetici, ma molti meno degli ottocentoventisette antiferromagnetici. Jairo Sinova parlò di una fase magnetica, stato distinto, che "era rimasto nascosto per più di cento anni".

Buon titolo, ma non tutta la storia. L'articolo 2020 di Zunger, Rashba e colleghi fa risalire a Pekar e Rashba (1964) la teoria della separazione magnetica di spin. Nell'agosto 2019, i fisici giapponesi Hayami, Yanagi e Kusunose mostrarono che alcuni antiferromagneti possono separare gli elettroni per spin senza accoppiamento spin-orbita.

Nel dicembre 2019, il gruppo di Zunger previde fino a circa 300 millielettronvolt, circa un terzo di un elettronvolt nel fluoruro di manganese, fatto di manganese e fluoro, anch'esso senza accoppiamento spin-orbita. Il fluoruro di manganese si ordina solo sotto sessantasette kelvin, circa meno duecentosei gradi Celsius. Paolo Radaelli di Oxford osservò che le definizioni di altermagnetismo variano un po'.

Notò anche che il piezomagnetismo, in cui comprimere o allungare un cristallo può cambiarne la magnetizzazione, è noto dagli anni 1950. Attribuisce a Šmejkal e colleghi il termine. Eppure, il teorico Igor Mazin ha detto a Science News che, in qualche modo, "nessuno aveva pensato a questa possibilità". I pezzi esistevano da decenni, sparsi negli articoli.

Il gruppo di Magonza e Praga aggiunse una classificazione completa delle simmetrie, un nome e previsioni che guidarono gli esperimenti. Secondo il loro istituto, la prima teoria fu citata oltre mille volte solo nel duemilaventicinque. Nel luglio 2026, la European Physical Society assegnò a Šmejkal, Sinova e Jungwirth il Premio Europhysics per la scoperta dell'altermagnetismo.

Il sogno della memoria

Perché dovrebbe contare fuori dal laboratorio? Perché molta memoria è già magnetica. Nel duemiladiciannove Samsung annunciò MRAM integrata in altri chip, prodotta in massa con processo a ventotto nanometri. Disse: scrittura circa mille volte più veloce della flash integrata, dati conservati senza corrente.

Nel duemilaventuno Everspin disse che il chip MRAM da duecentocinquantasei kilobit era progettato per il sistema principale di propulsione della Lucid Air elettrica. Il "mille volte" di Samsung confronta due memorie esistenti. Non riguarda gli altermagneti. Un altermagnete promette entrambe le qualità desiderate.

I suoi elettroni sono separati per spin, come in un ferromagnete: in teoria, lettura elettrica. Magnetizzazione netta quasi nulla come in un antiferromagnete: i bit potrebbero stare vicini senza disperdere campi. Il loro istituto dice che questa fase "può eliminare i limiti di scalabilità dei ferromagneti", cioè quanto stretti possono essere i bit. Nottingham aggiunse: sostituire i componenti potrebbe "aumentare la velocità di mille volte".

Previsione per componenti futuri, non velocità misurata. La scrittura a terahertz del 2018 fu in un antiferromagnete ordinario, non in un altermagnete. Come vedremo, i primi esperimenti di commutazione altermagnetica sono molto recenti; il chip di memoria è ancora lontano.

Quanta strada resta

A che punto è davvero la tecnologia? La base di una cella MRAM è una giunzione a tunnel magnetica. Due strati magnetici separati da un isolante sottilissimo, che lascia appena passare la corrente. La resistenza cambia se gli strati puntano nella stessa direzione o in direzioni opposte.

Si chiama magnetoresistenza tunnel, o TMR. Nelle MRAM ferromagnetiche, la TMR può raggiungere centinaia di percento. Nel giugno 2025, un gruppo dell'UNIST in Corea del Sud riportò una giunzione a tunnel costruita sul diossido di rutenio, RuO2, interpretandone il segnale come altermagnetismo.

Gli altri strati erano biossido di titanio e il ferromagnete ordinario cobalto-ferro-boro. La magnetoresistenza tunnel raggiunse circa il cinque percento a dieci kelvin, cioè meno duecentosessantatré gradi Celsius. Sopra circa 50 kelvin, quasi spariva. Una rassegna 2025 di Jungwirth e colleghi prevede magnetoresistenza tunnel

negli altermagneti paragonabile a quella ferromagnetica. Prevista, non ancora misurata. Secondo problema: il materiale. Il diossido di rutenio fu il primo esempio simbolo.

All'inizio del 2024, un gruppo DESY tedesco usò un microscopio di quantità di moto, che mappa energie e direzioni elettroniche. Riferì una caratteristica rottura della simmetria d'inversione temporale: lo schema cambia tornando indietro nel tempo. Ma quell'anno, esperimenti con muoni, particelle effimere che agiscono da minuscole sonde magnetiche, e neutroni non trovarono ordine magnetico rilevabile nei cristalli e film esaminati.

Nel 2026, misure su cristalli massicci non trovarono ordine, mentre film di soli due nanometri, stirati o compressi dal cristallo di crescita, mostrarono direzioni magnetiche organizzate. Una rassegna 2026 riassume: lo stato fondamentale magnetico del diossido di rutenio, il suo assetto a energia minima, "resta oggetto di dibattito". Il segnale della giunzione è una misura reale, ma resta controverso se indichi altermagnetismo.

Per questo il video si concentra su MnTe e CrSb. Terzo problema: la commutazione. Una memoria deve invertire i bit a comando, che devono restare fermi. Controllare i domini magnetici, regioni col medesimo orientamento, è, dice la rassegna, un "prerequisito fondamentale".

Un esperimento nell'ossido di ferro e tulio riorientò l'ordine solo temporaneamente: senza alimentazione non restava. Qui CrSb ha iniziato a dare risultati. Nel febbraio 2025, un gruppo riportò su Nature che correnti elettriche potevano commutare l'ordine altermagnetico nei film di CrSb, producendo un segnale Hall leggibile a temperatura ambiente.

Nell'agosto 2026, un altro gruppo riferì di poter leggere l'ordine nell'antimoniuro di cromo e commutarlo in uno stato scelto in un dispositivo stratificato contenente anche ditellururo di platino, fatto di platino e tellurio. Scrissero che ciò potrebbe "spianare la strada a una memoria altermagnetica scalabile". Buone notizie anche sulla temperatura.

MnTe, CrSb e due composti di vanadio più recenti restano ordinati sopra la temperatura ambiente. Il bilancio: La fisica è confermata in diversi materiali. Esiste ordine a temperatura ambiente, con primi esperimenti riportati di lettura e commutazione elettriche.

Manca una cella di memoria a temperatura ambiente che commuti elettricamente e offra una lettura forte quanto le MRAM attuali, per non parlare di un chip competitivo.

Più di due

Torniamo alla calamita da frigorifero. Il magnete che tutti conoscono, quello rumoroso. Eppure, nel conteggio della banca dati, i magneti a momenti annullati superano i ferromagneti di oltre cinque a uno. Per quasi un secolo, abbiamo classificato quei magneti silenziosi sotto un'unica voce.

Alcuni separavano già allora gli elettroni in corsie. Non serviva inventare un materiale nuovo per trovarli. MnTe era già nel cassetto. Cambiò la domanda dei fisici sulla simmetria.

Resta aperto se quella domanda cambierà la memoria dei tuoi dispositivi. Altri esperimenti diranno fin dove arriveranno questi materiali. Per ora, la risposta onesta: esistono più di due tipi di magneti, ancora da classificare.