Quando l'efficienza energetica dell'elettronica rappresenta una sfida, i materiali magnetici possono avere una soluzione.

L'efficienza energetica farà o distruggerà il futuro. Poiché la domanda di energia dall'elettronica continua a crescere, la Semiconductor Research Corporation avverte che entro due decenni, la domanda computazionale globale di energia sarà maggiore della quantità totale prodotta. Vincent Sokalski, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Carnegie Mellon University, sta lavorando a una soluzione a questo problema, utilizzando materiali magnetici per la memoria e l'elaborazione ad alta efficienza energetica.

Sokalski ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 1,8 milioni di dollari dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per il suo progetto, "Skyrmions del muro di dominio:eccitazioni topologiche limitate ai canali 1-D". Insieme ai professori CMU Marc De Graef (MSE) e Di Xiao (fisica), Sokalski esplorerà nuovi modi per elaborare e memorizzare in modo efficiente le informazioni con materiali magnetici.

Sebbene i materiali magnetici siano già utilizzati negli odierni dischi rigidi per l'archiviazione a lungo termine, i semiconduttori sono attualmente utilizzati per la memoria e l'elaborazione a breve termine, che è dove viene consumata la maggior parte dell'energia. Però, poiché i semiconduttori si restringono per soddisfare le aspettative dei consumatori in termini di velocità e densità, c'è un limite a quanto piccoli possono essere fatti senza rischiare la perdita di informazioni. DARPA riconosce questa sfida, e i progetti di ricerca finanziati dal programma "Topological Excitations in Electronics" della DARPA sono incentrati sulla ricerca di modi per utilizzare la "protezione topologica" per migliorare i materiali magnetici che possono essere utilizzati per l'archiviazione della memoria del computer o per i processori.

Immagina una ciotola con una pallina che rotola dentro. Mentre lo scuoti, la palla si muove su e giù per le pareti della ciotola, stare dentro. Però, se lo hai fatto con una ciotola più piccola, la palla potrebbe eventualmente cadere. Allo stesso modo, quando un semiconduttore è esposto al calore, è a rischio di perdere informazioni. Più piccoli produci semiconduttori, maggiore è il rischio di perdita di dati.

"La fisica fondamentale dietro a questo non è qualcosa che possiamo cambiare facilmente, " spiega Sokalski, "ma possiamo guardare a sistemi e meccanismi materiali completamente diversi in cui ci muoviamo attorno a caratteristiche magnetiche, e usando quelle caratteristiche magnetiche per cambiare la resistenza di un dispositivo informatico. Ma per farlo, abbiamo davvero bisogno di esplorare e scoprire nuovi materiali che possano servire a questo scopo".

Inserisci materiali magnetici. Migliorando i materiali magnetici, Sokalski spera di trovare un giorno nuovi materiali che potrebbero aumentare, o addirittura sostituire, semiconduttori nell'informatica.

Il progetto di Sokalski inizia con skyrmioni magnetici, o bolle magnetiche 2-D. Se utilizzato nella memoria del computer, ogni bolla memorizzerà un singolo bit di dati.

"Gli Skyrmion sono una rinascita dell'idea di memoria a bolle" che è stata ampiamente studiata negli anni '70 e '80, dice Sokalski. "Tranne che ora le bolle sono molto più piccole, più stabile, e avere una protezione topologica, quindi possiamo spostarli con una maggiore efficienza energetica di quanto non avremmo mai potuto spostarli circa 40 o 50 anni fa."

Nei materiali magnetici, pensa a ciascun elettrone come a una minuscola barra magnetica con un polo nord e un polo sud che puntano tutti nella stessa direzione. Questi sono chiamati giri. Sokalski è interessato a come creare difetti topologici nelle linee di questi spin.

Per comprendere l'importanza della protezione topologica, devi prima capire i difetti topologici. Immagina di impilare un vassoio di formaggi con un amico. Uno di voi inizia dal lato destro del vassoio, impilando ogni pezzo di formaggio sopra il successivo, e l'altro inizia sul lato sinistro. Infine, ti incontrerai nel mezzo, e le tue fette di formaggio si scontreranno, invece di allinearsi con la stessa angolazione. Quel punto in cui si scontrano è l'essenza di un difetto topologico.

Per cancellare un difetto topologico, dovresti capovolgere ogni "fetta di formaggio" su un lato del difetto. Nel magnetismo, se metà dei tuoi giri in una catena punta verso l'interno a sinistra, e tutti gli altri puntano nella direzione opposta, avresti un difetto nel mezzo. Per far scomparire il difetto, dovresti invertire ogni giro su un lato, spostandolo verso il bordo della catena.

Nel magnetismo, questi difetti topologici sono molto preziosi. Se hai un difetto topologico, ciò significa che i tuoi dati sono topologicamente protetti, perché se solo un giro si capovolge spontaneamente per puntare nella direzione opposta, il difetto si sposta, piuttosto che andare via.

Perché questo argomento sta emergendo improvvisamente nella ricerca sui materiali magnetici? Tutto il magnetismo si basa su qualcosa chiamato scambio di Heisenberg, un effetto quantomeccanico che fa sì che gli spin degli elettroni si allineino con un orientamento parallelo. Però, la scoperta di un nuovo fenomeno chiamato Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) porta ad un allineamento perpendicolare di spin vicini. La combinazione di Heisenberg Exchange e DMI, che è ciò che studia Sokalski, dà origine a un nuovo tipo di magnetismo che fa sì che gli spin degli elettroni abbiano una configurazione a spirale continua.

"Si scopre che le caratteristiche dei materiali magnetici stabilizzati da questa nuova interazione possono essere effettivamente manipolate con una migliore efficienza rispetto ai casi in cui è solo lo scambio di Heisenberg, "dice Sokalski.

Avere un maggiore controllo su skyrmion e difetti topologici significherebbe un'archiviazione dei dati più affidabile e un'efficienza energetica nel calcolo.

"DARPA sta cercando di aggirare la sfida in sospeso dell'elettronica ad alta efficienza energetica, "dice Sokalski, "e che va dai concetti fisici più fondamentali di spin alla progettazione di computer che hanno un'architettura circuitale completamente diversa. La nostra ricerca porterà a un'elaborazione efficiente dal punto di vista energetico che soddisfi le esigenze dell'intelligenza artificiale e dei computer su piccola scala, mitigando al contempo la loro impronta energetica globale".

MSE dottorato di ricerca gli studenti Maxwell Li e Derek Lau e il ricercatore post-dottorato in fisica Ran Cheng sono collaboratori di questo progetto, oltre ai Co-PI Tim Mewes e Claudia Mewes dell'Università dell'Alabama.