I chip di memoria sono tra i componenti più basilari nei computer. La memoria ad accesso casuale è il luogo in cui i processori memorizzano temporaneamente i propri dati, che è una funzione cruciale. I ricercatori di Dresda e Basilea sono ora riusciti a gettare le basi per un nuovo concetto di chip di memoria. Ha il potenziale per utilizzare molta meno energia rispetto ai chip prodotti fino ad oggi - questo è importante non solo per le applicazioni mobili ma anche per i centri di calcolo dei big data. I risultati sono presentati nell'ultimo volume della rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

I chip di memoria puramente elettrici che sono comunemente usati oggi hanno un notevole svantaggio:"Questa memoria è volatile e il suo stato deve essere continuamente aggiornato, "dice il dottor Tobias Kosub, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). "Questo richiede molta energia." Le conseguenze si vedono, Per esempio, nei grandi centri di calcolo. Da una parte, le loro bollette elettriche aumentano con l'aumento della potenza di calcolo. D'altra parte, i trucioli si scaldano sempre di più in base al loro consumo energetico. I data center trovano sempre più difficile dissipare questo calore. Alcuni operatori cloud arrivano al punto di configurare le loro server farm in regioni fredde.

C'è un'alternativa a questi chip di memoria elettrica. Le MRAM salvano i dati magneticamente e quindi non richiedono un aggiornamento costante. Loro fanno, però, richiedono correnti elettriche relativamente grandi per scrivere i dati in memoria, che riduce l'affidabilità:"Minacciano di consumarsi troppo rapidamente e di rompersi se si verificano interruzioni durante il processo di scrittura o lettura, " dice Kosub.

Tensione elettrica anziché corrente

Il mondo scientifico sta quindi lavorando da tempo sulle alternative alla MRAM. Una classe di materiali chiamata "antiferromagneti magnetoelettrici" sembra particolarmente promettente. Questi magneti sono attivati ​​da una tensione elettrica piuttosto che da una corrente. "Questi materiali non possono essere facilmente controllati, " spiega il leader del gruppo HZDR Dr. Denys Makarov. "È difficile scrivere loro dati e leggerli di nuovo." Finora si è ipotizzato che questi antiferromagneti magnetoelettrici possano essere letti solo indirettamente tramite ferromagneti, quale, però, nega molti dei vantaggi. L'obiettivo è quindi quello di produrre una memoria magnetoelettrica puramente antiferromagnetica (AF-MERAM).

Questo è esattamente ciò che ora sono riusciti a fare i gruppi di ricerca di Dresda e Basilea. Hanno sviluppato un nuovo prototipo AF-MERAM basato su un sottile strato di ossido di cromo. Questo viene inserito - come un ripieno a sandwich - tra due elettrodi sottili nanometri. Se viene applicata una tensione a questi elettrodi, l'ossido di cromo "gira" in un diverso stato magnetico - e il bit è scritto. L'importante è che siano sufficienti pochi volt. "A differenza di altri concetti, potremmo ridurre la tensione di un fattore cinquanta, " dice Kosub. "Questo ci permette di scrivere un po' senza eccessivi consumi di energia e riscaldamento." Una sfida particolare è stata la capacità di rileggere il bit scritto.

Per farlo, i fisici hanno attaccato uno strato di platino sottile in un nanometro sopra l'ossido di cromo. Il platino consente la lettura attraverso uno speciale fenomeno elettrico:l'effetto Hall anomalo. Il segnale effettivo è molto piccolo ed è sovrapposto da segnali di interferenza. "Potremmo, però, sviluppare un metodo che sopprima la tempesta di interferenze, permettendoci di ottenere il segnale utile, " Makarov descrive. "Questo era, infatti, la svolta." I risultati sembrano molto promettenti secondo il Prof. Oliver G. Schmidt del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research di Dresda, che ha anche partecipato allo studio:"Sarà entusiasmante studiare come questo nuovo approccio si posizionerà rispetto alla consolidata tecnologia del silicio". Ora i ricercatori stanno per sviluppare ulteriormente il concetto.

"Finora il materiale funziona a temperatura ambiente, ma solo dentro una stretta finestra, " dice Kosub. "Vogliamo ampliare notevolmente la gamma alterando selettivamente l'ossido di cromo." Per raggiungere questo obiettivo, i colleghi dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea hanno dato un importante contributo. Il loro nuovo metodo di indagine fornisce per la prima volta immagini delle proprietà magnetiche dell'ossido di cromo con una risoluzione su scala nanometrica. Gli esperti ora mirano a integrare diversi elementi di memoria su un singolo chip. Finora, è stato realizzato un solo elemento, che può memorizzare solo un bit. Il prossimo passo, cruciale verso le possibili applicazioni, consiste nel costruire un array di più elementi. "In linea di principio, tali chip di memoria potrebbero essere prodotti utilizzando metodi standard impiegati dai produttori di computer, " dice Makarov. "Questo è uno dei motivi per cui l'industria ha mostrato un grande interesse per tali componenti".