La memorizzazione dei dati magnetici è stata a lungo considerata troppo lenta per l'uso nelle memorie di lavoro dei computer. I ricercatori dell'ETH hanno ora studiato una tecnica con cui la scrittura di dati magnetici può essere eseguita molto più velocemente e utilizzando meno energia.

Da quasi settant'anni, nastri magnetici e dischi rigidi sono stati utilizzati per l'archiviazione dei dati nei computer. Nonostante le numerose nuove tecnologie sviluppate nel frattempo, la magnetizzazione controllata di un supporto di memorizzazione dei dati rimane la prima scelta per l'archiviazione delle informazioni a causa della sua longevità e del prezzo contenuto. Come mezzo per realizzare memorie ad accesso casuale (RAM), però, che vengono utilizzati come memoria principale per l'elaborazione dei dati nei computer, le tecnologie di memorizzazione magnetica sono state a lungo considerate inadeguate. Ciò è dovuto principalmente alla sua bassa velocità di scrittura e al consumo energetico relativamente elevato.

Pietro Gambardella, Professore presso il Dipartimento di Materiali dell'ETH di Zurigo, e i suoi colleghi, insieme ai colleghi del Dipartimento di Fisica e del Paul Scherrer Institute (PSI), hanno ora dimostrato che utilizzando una nuova tecnica, l'archiviazione magnetica può ancora essere ottenuta molto velocemente e senza sprechi di energia.

Inversione di magnetizzazione senza bobine

Nelle tradizionali tecnologie di memorizzazione dei dati magnetici, vengono utilizzati supporti dati a nastro oa disco rivestiti con una lega di cobalto. Una bobina che trasporta corrente produce un campo magnetico che cambia la direzione della magnetizzazione in una piccola porzione del supporto dati. Rispetto alle velocità dei moderni processori, questa procedura è molto lenta, e la resistenza elettrica delle bobine porta alla perdita di energia. Sarebbe, perciò, sarebbe molto meglio se si potesse cambiare direttamente la direzione della magnetizzazione, senza prendere una deviazione tramite bobine magnetiche.

Nel 2011, Gambardella e i suoi colleghi hanno già dimostrato una tecnica che potrebbe fare proprio questo:una corrente elettrica che passa attraverso un film semiconduttore appositamente rivestito ha invertito la magnetizzazione in un minuscolo punto metallico. Ciò è reso possibile da un effetto fisico chiamato coppia spin-orbita. In questo effetto, una corrente che scorre in un conduttore porta ad un accumulo di elettroni con momento magnetico opposto (spin) ai bordi del conduttore. L'elettrone gira, a sua volta, creare un campo magnetico che fa sì che gli atomi in un materiale magnetico vicino cambino l'orientamento dei loro momenti magnetici. In un nuovo studio gli scienziati hanno ora studiato come funziona questo processo in dettaglio e quanto è veloce. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura .

Risoluzione spaziale con raggi X

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno invertito la magnetizzazione di un punto di cobalto avente un diametro di appena 500 nanometri utilizzando impulsi di corrente elettrica che scorrevano attraverso un filo di platino adiacente. Durante questo processo, hanno esposto il punto di cobalto a raggi X fortemente focalizzati che sono stati creati presso la Swiss Light Source di PSI. I raggi X hanno scansionato il punto successivamente con una risoluzione spaziale di 25 nanometri. L'intensità con cui il punto ha assorbito i raggi X in un punto particolare dipendeva dalla direzione di magnetizzazione locale.

"In questo modo abbiamo ottenuto un'immagine bidimensionale della magnetizzazione all'interno del punto di cobalto e abbiamo potuto osservare come l'impulso di corrente lo cambiasse gradualmente", spiega Manuel Baumgartner, autore principale dello studio e dottorando nel gruppo di ricerca di Gambardella.

I ricercatori hanno così potuto osservare che l'inversione della magnetizzazione è avvenuta in meno di un nanosecondo, notevolmente più velocemente rispetto ad altre tecniche studiate di recente. "Inoltre, ora possiamo prevedere sulla base dei parametri sperimentali quando e dove inizia e dove finisce l'inversione di magnetizzazione", aggiunge Gambardella. In altre tecniche l'inversione è anche guidata da una corrente elettrica, ma è innescato da fluttuazioni termiche nel materiale, che provoca grandi variazioni nei tempi dell'inversione.

Possibile applicazione nelle RAM

I ricercatori hanno inviato fino a un trilione di impulsi di inversione attraverso il punto di cobalto a una frequenza di 20 MHz senza osservare alcuna riduzione della qualità dell'inversione di magnetizzazione. "Questo ci fa sperare che la nostra tecnologia sia adatta per applicazioni nelle RAM magnetiche", dice l'ex postdoc di Gambardella Kevin Garello, anche uno degli autori principali dello studio. Garello ora lavora presso il centro di ricerca IMEC di Lovanio, Belgio, indagare la realizzazione commerciale della tecnica.

In un primo passo, i ricercatori vorrebbero ora ottimizzare i loro materiali per far funzionare l'inversione ancora più velocemente e con correnti più piccole. Un'ulteriore possibilità è quella di migliorare la forma dei punti di cobalto. Per adesso, quelli sono circolari, ma altre forme come ellissi o diamanti potrebbero rendere ancora più efficiente l'inversione della magnetizzazione, dicono i ricercatori. Le RAM magnetiche potrebbero, tra l'altro, rendere obsoleto il caricamento del sistema operativo all'avvio di un computer:i relativi programmi rimarrebbero nella memoria di lavoro anche quando l'alimentazione viene interrotta.