Un team di scienziati guidato dal Professore Associato Yang Hyunsoo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università Nazionale di Singapore (NUS) ha inventato un nuovo film multistrato ultrasottile che potrebbe sfruttare le proprietà di minuscoli vortici magnetici, conosciuti come skyrmion, come supporti informatici per la memorizzazione e l'elaborazione di dati su supporti magnetici.

Il film sottile di dimensioni nanometriche, che è stato sviluppato in collaborazione con i ricercatori del Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, e la Louisiana State University, è un passo fondamentale verso la progettazione di dispositivi di archiviazione dati che utilizzano meno energia e funzionano più velocemente rispetto alle tecnologie di memoria esistenti. L'invenzione è stata riportata su prestigiosa rivista scientifica Comunicazioni sulla natura il 10 marzo 2017.

Piccoli vortici magnetici con un enorme potenziale come vettori di informazioni

La trasformazione digitale ha portato a richieste sempre crescenti di una migliore elaborazione e archiviazione di grandi quantità di dati, così come miglioramenti nella tecnologia del disco rigido. Dalla loro scoperta nei materiali magnetici nel 2009, skyrmions, che sono minuscole trame magnetiche vorticose di appena pochi nanometri, sono stati ampiamente studiati come possibili vettori di informazioni nei dispositivi logici e di memorizzazione dei dati di nuova generazione.

È stato dimostrato che gli Skyrmioni esistono in sistemi a strati, con un metallo pesante posto sotto un materiale ferromagnetico. A causa dell'interazione tra i diversi materiali, un'interazione di rottura della simmetria interfacciale, nota come interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), è formato, e questo aiuta a stabilizzare uno skyrmion. Però, senza la presenza di un campo magnetico fuori piano, la stabilità dello skyrmion è compromessa. Inoltre, per le sue piccole dimensioni, è difficile immaginare i materiali di dimensioni nanometriche.

Per affrontare queste limitazioni, i ricercatori hanno lavorato alla creazione di skyrmioni magnetici stabili a temperatura ambiente senza la necessità di un campo magnetico di polarizzazione.

Materiale unico per l'archiviazione dei dati

Il team NUS, che comprende anche il dottor Shawn Pollard e la signora Yu Jiawei del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del NUS, scoperto che un grande DMI potrebbe essere mantenuto in film multistrato composti da cobalto e palladio, e questo è abbastanza grande da stabilizzare le trame di rotazione di Skyrmion.

Per visualizzare la struttura magnetica di questi film, i ricercatori del NUS, in collaborazione con il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti, ha impiegato la microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz (L-TEM). L-TEM ha la capacità di visualizzare strutture magnetiche inferiori a 10 nanometri, ma non è stato utilizzato per osservare gli skyrmioni in geometrie multistrato in precedenza poiché si prevedeva che mostrasse un segnale zero. Però, durante lo svolgimento degli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che inclinando le pellicole rispetto al fascio di elettroni, hanno scoperto che potevano ottenere un chiaro contrasto coerente con quello previsto per gli skyrmioni, con dimensioni inferiori a 100 nanometri.

Il dottor Pollard ha spiegato, "Si è a lungo ipotizzato che non ci fosse DMI in una struttura simmetrica come quella presente nel nostro lavoro, quindi, non ci sarà skyrmion. È davvero inaspettato per noi trovare sia DMI di grandi dimensioni che skyrmion nel film multistrato che abbiamo progettato. Cosa c'è di più, questi skyrmioni su scala nanometrica sono persistiti anche dopo la rimozione di un campo magnetico di polarizzazione esterno, che sono i primi del loro genere."

Assoc Prof Yang ha aggiunto, "Questo esperimento non solo dimostra l'utilità di L-TEM nello studio di questi sistemi, ma apre anche un materiale completamente nuovo in cui è possibile creare skyrmions. Senza la necessità di un campo di polarizzazione, la progettazione e l'implementazione dei dispositivi basati su skyrmion sono notevolmente semplificate. Le piccole dimensioni degli skyrmion, combinato con l'incredibile stabilità qui generata, potrebbe essere potenzialmente utile per la progettazione di dispositivi spintronici di prossima generazione che siano efficienti dal punto di vista energetico e possano superare le attuali tecnologie di memoria".