Al NIST è stato concesso un brevetto per una tecnologia che potrebbe accelerare l'avvento di una tanto attesa nuova generazione di dispositivi ad alte prestazioni, computer a basso consumo energetico.
Dispositivi microelettronici convenzionali, per la maggior parte, funzionano manipolando e immagazzinando cariche elettriche in transistor e condensatori a semiconduttore. Ciò richiede molta energia e genera molto calore, soprattutto perché gli ingegneri di processo continuano a trovare modi per impacchettare funzionalità sempre più piccole nei circuiti integrati. Il consumo di energia è diventato uno dei principali ostacoli a prestazioni molto più elevate.
Un approccio alternativo altamente promettente, chiamato "spintronica, " utilizza lo spin quantistico dell'elettrone per contenere informazioni oltre alla carica. I due diversi orientamenti di spin (tipicamente designati "su" e "giù") sono analoghi alle cariche elettriche positive e negative nell'elettronica convenzionale. Perché cambiare lo spin di un elettrone richiede pochissima energia e può avvenire molto velocemente, la spintronica offre la possibilità di una significativa riduzione di energia.
"La nostra invenzione, " afferma il co-inventore Curt Richter della divisione di fisica ingegneristica del NIST, "è progettato per fornire un componente chiave nei sistemi spintronici. È molto semplice, elemento costitutivo fondamentale che può essere utilizzato in una varietà di modi diversi. Può fungere da interruttore on-off per correnti di spin, come interconnessione tra diversi componenti spintronici, e come interfaccia tra caratteristiche magnetiche ed elettroniche per realizzare dispositivi multifunzionali."
Lo spin è ciò che rende magnetiche le cose magnetiche:ogni elettrone si comporta in qualche modo come un magnete a barra, con due poli opposti. I materiali in cui la maggior parte degli spin degli elettroni sono allineati nella stessa direzione (polarizzati) producono un campo magnetico con lo stesso orientamento. Gli elettroni con lo stesso allineamento di spin del materiale lo attraversano facilmente; gli elettroni con allineamento opposto sono bloccati.
Questa proprietà è stata sfruttata per realizzare microscopiche "spin valve", tipicamente un canale con uno strato magnetico a ciascuna estremità. La polarità relativa dei due magneti accende o spegne la valvola:se entrambi i magneti hanno lo stesso allineamento, la corrente polarizzata di spin passa attraverso il canale. Se i magneti hanno allineamenti opposti, la corrente non può circolare.
Il dispositivo viene "commutato" invertendo la polarità di un magnete, che viene fatto applicando una sufficiente corrente di elettroni con spin opposto. Però, invertire la polarità del magnete richiede più energia di quanto i ricercatori preferirebbero.
"In genere con valvole di rotazione, " Richter dice. "Devi far fluire una quantità significativa di corrente di spin per capovolgere il componente. Correnti maggiori significano che stai usando più energia e generando più calore. La nostra invenzione riduce drasticamente entrambi."
All'inizio, i ricercatori non avevano alcuna intenzione di realizzare un dispositivo o ottenere un brevetto. Non stavano nemmeno lavorando direttamente sul trasporto di spin. Stavano studiando il comportamento di una diversa classe di dispositivi comunemente indicati come "memristors" (resistenze di memoria), una tecnologia che ha appena un decennio ma è ampiamente annunciata come un potenziale ad alta velocità, elemento di base a bassa energia per i futuri computer.
I memristori sono sandwich di microstruttura a strati con un elettrodo nella parte superiore e inferiore, tra i quali ci sono uno strato di metallo (ad esempio rame) che è un buon conduttore elettrico e uno strato di materiale (come certi ossidi) che è un cattivo conduttore. Questa configurazione è anche la struttura più comune utilizzata in un nuovo tipo di memoria chiamata memoria resistiva ad accesso casuale (RRAM o ReRAM). Quando viene applicata una tensione agli elettrodi in una direzione, la corrente può fluire. Invertendo la tensione si interrompe la corrente.
Gli scienziati ritengono che la ragione di questo fenomeno sia che quando viene applicata una tensione di polarizzazione in una direzione, fa sì che gli atomi del conduttore metallico si diffondano e interagiscano con l'ossido, formando minuscoli filamenti metallici che fungono da canali a bassa resistenza che penetrano attraverso lo strato isolante. Se la tensione viene applicata nella direzione opposta, lo strato di ossido è impoverito di atomi di metallo, e la resistenza aumenta.
In entrambi i casi, quando la tensione di polarizzazione viene rimossa, lo stato di resistenza dell'ossido è congelato. Poiché quello stato è stato formato da un pregiudizio specifico applicato in una direzione specifica, il dispositivo "ricorda" la sua ultima resistenza. Questa caratteristica rende i memristori attraenti per l'uso nella memoria del computer "non volatile" in cui le informazioni memorizzate non scompaiono quando l'alimentazione viene spenta.
"Quindi quando abbiamo iniziato, c'erano valvole di rotazione e c'erano memristori, "Risponde Richter. "Ma nessuno aveva pensato di metterli insieme. Essendo ragazzi della misurazione al NIST, inizialmente non pensavamo di metterli insieme per inventare un nuovo dispositivo. Li abbiamo messi insieme in modo da poter effettuare misurazioni per capire meglio come funzionano i memristori.
"Volevamo indagare su come si accende e si spegne questo interruttore di tensione. Abbiamo pensato che se avessimo aggiunto spin all'analisi, potremmo ottenere maggiori informazioni su come funziona un normale memristor. Nel farlo, abbiamo realizzato questo dispositivo e abbiamo detto "Ehi, questa cosa di per sé ha delle ramificazioni tecnologiche molto interessanti.' Combina la memoria non volatile nei memristori con la tecnologia di una valvola di rotazione per creare un dispositivo che consente di attivare e disattivare un canale di rotazione."
"Ciò che lo rende unico è che puoi aprire o chiudere un canale di rotazione utilizzando un comando elettrico, " dice il co-inventore Hyuk-Jae Jang. "E così con una piccola quantità di tensione, possiamo attivare e disattivare la corrente di spin in meno di nanosecondi senza dover invertire la polarità dell'elettrodo ferromagnetico di una valvola di spin. Questa operazione ad alta velocità e basso consumo energetico è essenziale per la creazione di una futura tecnologia logica basata sulla spintronica per sostituire l'attuale tecnologia elettronica basata su CMOS utilizzata oggi per fabbricare quasi tutti i circuiti integrati".
Il brevetto NIST copre dispositivi realizzati con una varietà di materiali. La combinazione primaria utilizzata negli esperimenti degli inventori era, dal basso verso l'alto, uno strato di base magnetico fatto di cobalto che serve a polarizzare lo spin degli elettroni, uno strato isolante in ossido di tantalio, uno strato di rame, e un elettrodo superiore in lega.
Nella configurazione "on", gli atomi di rame vengono trascinati nell'ossido ei loro filamenti si estendono fino allo strato di base di cobalto. L'inversione della tensione fa retrocedere il rame, e "c'è una regione vuota nello strato di ossido, "dice Richter. "Non appena ciò accadrà, la corrente si ferma. Potrebbe valere solo pochi atomi di distanza, a causa del calo esponenziale con la distanza. Questo lo rende un interruttore a bassissima energia."
Giovanni Kramar, Capo ad interim della divisione di fisica ingegneristica del NIST, definisce il lavoro "un'invenzione molto entusiasmante che fornisce un'ottima soluzione per il problema dell'energia di commutazione per le valvole di spin. Rimuove una barriera tecnologica significativa per la spintronica per diventare un forte concorrente per la microelettronica oltre il CMOS".
