I ricercatori della UC Berkeley e della UC Riverside hanno sviluppato un nuovo, metodo ultraveloce per il controllo elettrico del magnetismo in alcuni metalli, una svolta che potrebbe portare a prestazioni notevolmente migliorate e a tecnologie di elaborazione e memoria del computer più efficienti dal punto di vista energetico.

I risultati del gruppo, guidato dal professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS) di Berkeley Jeffrey Bokor, sono pubblicati in un paio di articoli su riviste Progressi scientifici (Vol. 3, n. 49, 3 novembre 2017) e Lettere di fisica applicata (Vol. III, n. 4, 24 luglio 2017).

I computer utilizzano diversi tipi di tecnologie di memoria per memorizzare i dati. Memoria a lungo termine, in genere un disco rigido o un'unità flash, deve essere denso per memorizzare quanti più dati possibile. Ma l'unità di elaborazione centrale (CPU), l'hardware che consente ai computer di elaborare, richiede la propria memoria per l'archiviazione a breve termine delle informazioni durante l'esecuzione delle operazioni. La memoria ad accesso casuale (RAM) è un esempio di tale memoria a breve termine.

La lettura e la scrittura dei dati sulla RAM devono essere estremamente veloci per tenere il passo con i calcoli della CPU. La maggior parte delle attuali tecnologie RAM si basano sulla ritenzione di carica (elettroni), e può essere scritto a velocità di miliardi di bit al secondo (o bit/nanosecondo). Lo svantaggio di queste tecnologie basate sulla carica è che sono volatili, richiedono alimentazione costante, altrimenti perderanno i dati.

Negli ultimi anni, alternative magnetiche alla RAM, nota come memoria magnetica ad accesso casuale (MRAM), hanno raggiunto il mercato. Il vantaggio dei magneti è che conservano le informazioni anche quando la memoria e la CPU sono spente, consentendo il risparmio energetico. Ma questa efficienza va a scapito della velocità. Una delle principali sfide per la MRAM è stata quella di accelerare la scrittura di un singolo bit di informazioni a meno di 10 nanosecondi.

"Lo sviluppo di una memoria non volatile veloce quanto le memorie ad accesso casuale basate su carica potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni e l'efficienza energetica dei dispositivi informatici, "dice Bokor, che è anche uno scienziato senior nella Divisione di scienze dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di energia. "Questo ci ha motivato a cercare nuovi modi per controllare il magnetismo nei materiali a velocità molto più elevate rispetto alle MRAM di oggi".

"Ispirato da recenti esperimenti nei Paesi Bassi sulla commutazione magnetica ultraveloce utilizzando brevi impulsi laser, abbiamo costruito circuiti speciali per studiare come i metalli magnetici rispondono a impulsi elettrici di pochi trilionesimi di secondo, " o picosecondi, afferma il coautore Yang Yang (M.S.'13 Ph.D.'17 MSE). "Abbiamo scoperto che in una lega magnetica composta da gadolinio e ferro, questi impulsi elettrici veloci possono cambiare la direzione del magnetismo in meno di 10 picosecondi. Sono ordini di grandezza più veloci di qualsiasi altra tecnologia MRAM".

"L'impulso elettrico aumenta temporaneamente l'energia degli elettroni dell'atomo di ferro, "dice Richard Wilson, attualmente un assistente professore di ingegneria meccanica presso l'UC Riverside che ha iniziato il suo lavoro su questo progetto come ricercatore post-dottorato in EECS a Berkeley. "Questo aumento di energia fa sì che il magnetismo negli atomi di ferro e gadolinio eserciti una coppia l'uno sull'altro, e alla fine porta a un riorientamento dei poli magnetici del metallo. È un modo completamente nuovo di utilizzare le correnti elettriche per controllare i magneti".

Dopo la loro prima dimostrazione di scrittura elettrica nella speciale lega ferro-gadolinio, il team di ricerca ha cercato modi per espandere il proprio metodo a una classe più ampia di materiali magnetici. "Le speciali proprietà magnetiche della lega ferro-gadolinio sono ciò che rende questo lavoro, "dice Charles-Henri Lambert, un postdoc di Berkeley EECS. "Perciò, trovare un modo per espandere il nostro approccio per la scrittura elettrica veloce a una classe più ampia di materiali magnetici è stata una sfida entusiasmante".

Affrontare quest'ultima sfida è stato oggetto di un secondo studio, pubblicato in Lettere di fisica applicata nel mese di luglio. "Abbiamo scoperto che quando impiliamo un metallo magnetico a elemento singolo come il cobalto sopra la lega ferro-gadolinio, l'interazione tra i due strati ci permette di manipolare il magnetismo del cobalto anche su scale temporali senza precedenti, "dice Jon Gorchon, una ricerca post-dottorato nella Divisione di Scienze dei Materiali presso il Lawrence Berkeley Lab e in EECS presso l'UC Berkeley.

"Insieme, queste due scoperte forniscono un percorso verso memorie magnetiche ultraveloci che consentono una nuova generazione di dispositivi ad alte prestazioni, processori di calcolo a bassa potenza con alta velocità, memorie non volatili direttamente sul chip, "dice Bokor.