I ricercatori di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota hanno creato una giunzione a tunnel magnetico che può essere commutata da un impulso di luce della durata di un trilionesimo di secondo:un nuovo record. La giunzione del tunnel magnetico è fondamentale per i progressi della tecnologia dell'informazione con la cessazione della legge di Moore, un principio che ha governato l'industria della microelettronica per cinque decenni.

Questo progresso è promettente per lo sviluppo di nuovi, controllato otticamente, dispositivi magnetici ultraveloci chiamati collettivamente spintronica (elettronica che combina nanotecnologie ottiche e magnetiche). Questi dispositivi potrebbero portare a innovazioni nello storage, in lavorazione, e comunicazione delle informazioni. Un esempio di tale innovazione sarebbe lo sviluppo di un sistema che, come il cervello umano, può sia archiviare che analizzare una grande quantità di dati contemporaneamente. I dettagli del dispositivo e i test condotti su di esso sono riportati in un documento pubblicato di recente su Revisione fisica applicata , una rivista dell'American Physical Society.

Tipicamente, la giunzione del tunnel magnetico ha una struttura "a sandwich" composta da due strati di materiali magnetici con uno strato isolante, chiamata barriera, nel mezzo. Le informazioni vengono scritte sul materiale magnetico invertendo la magnetizzazione di uno degli strati. Questo processo di inversione spesso comporta un movimento a spirale negli elettroni rotanti, chiamato elaborazione di spin. Però, c'è una limitazione alla velocità di elaborazione della rotazione. I freni vengono applicati a circa 1,6 GHz, un record di velocità attuale che è molto più lento dei transistor al silicio. Per consentire velocità di scrittura più elevate, i limiti di velocità devono essere superati.

"Con la nostra invenzione di una nuova giunzione a tunnel magnetico, ora c'è un modo per accelerare le cose, " disse Mo Li, un professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università del Minnesota che ha guidato la ricerca.

Ispirato dalla scoperta del 2007 da parte di scienziati olandesi e giapponesi che mostrano che la magnetizzazione di una lega di un elemento di terre rare, chiamato gadolinio (Gd), con ferro (Fe), e il cobalto (Co) potrebbe essere commutato utilizzando impulsi luminosi, I ricercatori dell'Università del Minnesota hanno utilizzato la lega per sostituire lo strato magnetico superiore di una giunzione a tunnel magnetico convenzionale. Un'altra modifica apportata al dispositivo è stata quella di utilizzare un materiale elettrico trasparente chiamato ossido di indio e stagno per l'elettrodo per consentire alla luce di attraversarlo. Questi strati sono impilati in un pilastro con un diametro di 10 μm, che è solo un decimo del diametro di un tipico capello umano.

Per testare il loro lavoro, i ricercatori hanno inviato impulsi laser al dispositivo modificato utilizzando un laser a basso costo basato su fibre ottiche che emette impulsi ultracorti di luce infrarossa. Gli impulsi vengono inviati uno ogni microsecondo (un milionesimo di secondo), ma ogni impulso è più breve di un trilionesimo di secondo. Ogni volta che un impulso colpisce il pilastro di giunzione del tunnel magnetico, gli scienziati hanno osservato un salto di tensione sul dispositivo. La variazione di tensione conferma che la resistenza del "sandwich" di giunzione del tunnel magnetico cambia ogni volta che viene commutata la magnetizzazione dello strato di GdFeCo. Poiché ogni impulso laser dura meno di 1 picosecondo (un milionesimo di microsecondo), il dispositivo è in grado di ricevere dati alla sorprendente velocità di 1 terabit al secondo.

Li ha detto che la ricerca ha prospettive entusiasmanti. "Il nostro risultato stabilisce un nuovo mezzo di comunicazione tra fibre ottiche e dispositivi magnetici. Mentre le fibre ottiche consentono una velocità di trasmissione dati ultra elevata, i dispositivi magnetici possono memorizzare dati in modo non volatile ad alta densità, " Egli ha detto.

Professore Jian-Ping Wang, direttore del Centro per i materiali spintronici, Interfacce, and Novel Structures (C-SPIN) con sede presso l'Università del Minnesota e coautore dello studio, vede anche grandi promesse. "I risultati offrono un percorso verso una nuova categoria di dispositivi spintronici ottici che hanno il potenziale per affrontare le sfide future per lo sviluppo di futuri sistemi intelligenti.

"Questi sistemi potrebbero utilizzare dispositivi di spin come neuroni e sinapsi per eseguire funzioni di elaborazione e archiviazione proprio come il cervello, mentre si usa la luce per comunicare le informazioni, "Ha detto Wang.

L'obiettivo finale del team di ricerca è ridurre le dimensioni della giunzione del tunnel magnetico a meno di 100 nanometri e ridurre l'energia ottica richiesta. A tal fine, il team sta continuando la sua ricerca, ed è attualmente impegnata nell'ottimizzazione del materiale e della struttura del dispositivo, e lavorando per integrarlo con la nanofotonica. Oltre a Li e Wang, associato post-dottorato Junyang Chen, e lo studente laureato Li He sono gli autori principali del documento.