L'illustrazione mostra come gli ioni idrogeno (punti rossi), controllato da una tensione elettrica, migrare attraverso un materiale intermedio per modificare le proprietà magnetiche di uno strato magnetico adiacente (mostrato in verde). Credito:per gentile concessione dei ricercatori, a cura di MIT News
Un nuovo approccio al controllo del magnetismo in un microchip potrebbe aprire le porte alla memoria, informatica, e dispositivi di rilevamento che consumano drasticamente meno energia rispetto alle versioni esistenti. L'approccio potrebbe anche superare alcune delle limitazioni fisiche intrinseche che finora hanno rallentato i progressi in questo settore.
I ricercatori del MIT e del Brookhaven National Laboratory hanno dimostrato di poter controllare le proprietà magnetiche di un materiale a film sottile semplicemente applicando una piccola tensione. I cambiamenti nell'orientamento magnetico fatti in questo modo rimangono nel loro nuovo stato senza la necessità di alcun potere continuo, a differenza dei chip di memoria standard di oggi, la squadra ha trovato.
La nuova scoperta viene riportata oggi sulla rivista Materiali della natura , in un articolo di Geoffrey Beach, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e co-direttore del MIT Materials Research Laboratory; studente laureato Aik Jun Tan; e altri otto al MIT ea Brookhaven.
Tuttologo
Man mano che i microchip di silicio si avvicinano ai limiti fisici fondamentali che potrebbero limitare la loro capacità di continuare ad aumentare le loro capacità riducendo al contempo il consumo di energia, i ricercatori hanno esplorato una varietà di nuove tecnologie che potrebbero aggirare questi limiti. Una delle alternative promettenti è un approccio chiamato spintronica, che fa uso di una proprietà degli elettroni chiamata spin, al posto della loro carica elettrica.
Poiché i dispositivi spintronici possono mantenere le loro proprietà magnetiche senza la necessità di una potenza costante, quali chip di memoria al silicio richiedono, hanno bisogno di molta meno potenza per funzionare. Inoltre generano molto meno calore, un altro importante fattore limitante per i dispositivi di oggi.
Ma la tecnologia spintronica soffre dei suoi limiti. Uno dei più grandi ingredienti mancanti è stato un modo per controllare facilmente e rapidamente le proprietà magnetiche di un materiale elettricamente, applicando una tensione. Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno perseguito questa sfida.
Precedenti tentativi si sono basati sull'accumulo di elettroni all'interfaccia tra un magnete metallico e un isolante, utilizzando una struttura del dispositivo simile a un condensatore. La carica elettrica può modificare le proprietà magnetiche del materiale, ma solo per una piccolissima quantità, rendendolo poco pratico per l'uso in dispositivi reali. Ci sono stati anche tentativi di usare ioni invece di elettroni per cambiare le proprietà magnetiche. Ad esempio, ioni ossigeno sono stati usati per ossidare un sottile strato di materiale magnetico, causando un cambiamento estremamente grande nelle proprietà magnetiche. Però, l'inserimento e la rimozione degli ioni ossigeno provoca il rigonfiamento e il restringimento del materiale, causando danni meccanici che limitano il processo a poche ripetizioni, rendendolo sostanzialmente inutile per i dispositivi di calcolo.
La nuova scoperta dimostra un modo per aggirare questo, utilizzando ioni idrogeno invece degli ioni ossigeno molto più grandi usati nei precedenti tentativi. Poiché gli ioni idrogeno possono entrare e uscire molto facilmente, il nuovo sistema è molto più veloce e offre altri vantaggi significativi, dicono i ricercatori.
Poiché gli ioni idrogeno sono molto più piccoli, possono entrare ed uscire dalla struttura cristallina del dispositivo spintronico, cambiando ogni volta il suo orientamento magnetico, senza danneggiare il materiale. Infatti, il team ha ora dimostrato che il processo non produce degradazione del materiale dopo più di 2, 000 cicli. E, a differenza degli ioni di ossigeno, l'idrogeno può passare facilmente attraverso gli strati metallici, che consente al team di controllare le proprietà dei livelli in profondità in un dispositivo che non potrebbe essere controllato in nessun altro modo.
"Quando pompi idrogeno verso il magnete, la magnetizzazione ruota, " Dice Tan. "Puoi effettivamente cambiare la direzione della magnetizzazione di 90 gradi applicando una tensione, ed è completamente reversibile." Poiché l'orientamento dei poli del magnete è ciò che viene utilizzato per memorizzare le informazioni, ciò significa che è possibile scrivere e cancellare facilmente i "bit" di dati nei dispositivi spintronici utilizzando questo effetto.
Spiaggia, il cui laboratorio ha scoperto il processo originale per controllare il magnetismo attraverso gli ioni di ossigeno diversi anni fa, afferma che la scoperta iniziale ha scatenato una ricerca diffusa su una nuova area denominata "ionica magnetica, " e ora questa nuova scoperta ha "messo fine all'intero campo".
Essenzialmente, spiaggia spiega, lui e il suo team stanno "cercando di creare un analogo magnetico di un transistor, " che può essere acceso e spento ripetutamente senza degradare le sue proprietà fisiche.
Basta aggiungere acqua
La scoperta è avvenuta, in parte, attraverso la serendipità. Durante la sperimentazione con materiali magnetici stratificati alla ricerca di modi per cambiare il loro comportamento magnetico, Tan scoprì che i risultati dei suoi esperimenti variavano notevolmente da un giorno all'altro per ragioni che non erano evidenti. Infine, esaminando tutte le condizioni durante le diverse prove, si rese conto che la differenza chiave era l'umidità nell'aria:l'esperimento funzionava meglio nei giorni umidi rispetto a quelli secchi. La ragione, alla fine si rese conto, era che le molecole d'acqua dall'aria venivano scisse in ossigeno e idrogeno sulla superficie caricata del materiale, e mentre l'ossigeno scappava nell'aria, l'idrogeno si è ionizzato ed è penetrato nel dispositivo magnetico, cambiandone il magnetismo.
Il dispositivo che il team ha prodotto consiste in un sandwich di diversi strati sottili, compreso uno strato di cobalto dove avvengono i cambiamenti magnetici, racchiuso tra strati di un metallo come palladio o platino, e con uno strato di ossido di gadolinio, e poi uno strato d'oro da collegare alla tensione elettrica di pilotaggio.
Il magnetismo viene commutato con una breve applicazione di tensione e poi rimane fermo. Invertirlo non richiede alcun potere, basta cortocircuitare il dispositivo per collegare elettricamente i suoi due lati, mentre un chip di memoria convenzionale richiede una potenza costante per mantenere il suo stato. "Dato che stai solo applicando un impulso, il consumo di energia può diminuire, "Dice la spiaggia.
I nuovi dispositivi, con il loro basso consumo energetico e l'elevata velocità di commutazione, potrebbe eventualmente essere particolarmente utile per dispositivi come il mobile computing, Spiaggia dice, ma il lavoro è ancora in una fase iniziale e richiederà ulteriore sviluppo.
"Posso vedere prototipi in laboratorio entro pochi anni o meno, ", dice. Realizzare una cella di memoria completamente funzionante è "abbastanza complesso" e potrebbe richiedere più tempo, lui dice.