Spintronica potrebbe non essere il tipo di parola che viene fuori nelle discussioni quotidiane, ma da anni rivoluziona la tecnologia informatica. È la branca della fisica che implica la manipolazione dello spin di un flusso di elettroni, che per la prima volta ha raggiunto i consumatori alla fine degli anni '90 sotto forma di dischi rigidi magnetici per computer con una capacità di archiviazione centinaia di volte superiore ai loro predecessori.

Da allora questi e altri dispositivi elettronici sono stati perfezionati per rendere i computer molte volte più potenti, per non parlare di molto più fresco ed efficiente dal punto di vista energetico, consentendo di tutto, dai lettori MP3 agli smartphone di oggi. Intel e Google hanno iniziato a svelare i processori quantistici lo scorso anno, e Samsung ed Everspin hanno lanciato i chip MRAM (memoria ad accesso casuale magnetico) pochi mesi fa. Si prevede che questa nuova tecnologia migliorerà sostanzialmente le prestazioni di elaborazione:secondo una stima, Per esempio, la potenziale riduzione dei requisiti di alimentazione potrebbe essere superiore al 99%.

Comunque, tutti questi progressi hanno operato sotto una grande limitazione:la manipolazione dello spin è confinata a un singolo strato ultrasottile di materiale magnetico. Decine di questi strati sono tipicamente impilati in una struttura "a sandwich", che interagiscono attraverso complesse interfacce e interconnessioni, ma la loro funzionalità è fondamentalmente di natura 2-D.

Leader del settore come Stuart Parkin, che ha creato il disco rigido originale del computer basato sulla spintronica di IBM, il Titano Deskstar 16GP, dicono da anni che una delle maggiori sfide nell'informatica magnetica è passare a una versione 3D molto più flessibile e capace.

Questo vedrebbe le informazioni trasmesse, memorizzati ed elaborati in qualsiasi punto della pila tridimensionale di strati magnetici. I recenti progressi pionieristici stanno iniziando ad avvicinare questo cambiamento di paradigma, ma dobbiamo ancora affrontare grandi sfide per raggiungere lo stesso grado di controllo che abbiamo in due dimensioni.

In un nuovo documento condotto dalle università di Glasgow e Cambridge, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Amburgo, la Technical University of Eindhoven e la Aalto University School of Science, abbiamo compiuto un passo significativo verso il raggiungimento di tale obiettivo.

Giri e cariche

L'elettronica tradizionale si basa sul fatto che gli elettroni hanno cariche elettriche. In un computer di base, chip e altre unità trasmettono informazioni inviando e ricevendo piccoli impulsi elettrici. Registrano un "uno" per un impulso e uno "zero" per nessun impulso, e contandoli su milioni di ripetizioni, diventa la base di un linguaggio di istruzioni.

I dischi rigidi magnetici tradizionali si basano anche su proprietà associate alle cariche elettriche, ma funzionano su un principio diverso, con regioni molto piccole di un disco magnetico piatto che registra zeri e uno tramite i suoi due possibili orientamenti magnetici. Le unità magnetiche hanno il grande vantaggio che i dati sono ancora lì anche quando l'alimentazione è spenta, anche se le informazioni vengono registrate e recuperate molto più lentamente rispetto all'utilizzo dei transistor che troviamo nei circuiti dei computer.

La spintronica è diversa:sfrutta sia la carica che il magnetismo intrinseco degli elettroni, altrimenti noto come spin. La differenza tra rotazione e carica è talvolta paragonata al modo in cui la Terra orbita attorno al sole ma allo stesso tempo ruota anche sul suo asse. Ma mentre gli elettroni sono sempre carichi negativamente, possono girare "su" o "giù".

È stato scoperto alla fine degli anni '80 che se una corrente elettrica veniva condotta attraverso un dispositivo formato da un foglio non magnetico inserito tra due fogli magnetici, la resistenza di questo dispositivo al flusso di elettroni cambierebbe drasticamente a seconda dell'orientamento dei magneti all'interno dei due fogli magnetici.

Questo effetto è stato prontamente sfruttato nei dischi rigidi, con questi sistemi spintronici che agiscono come sensori molto sensibili in grado di leggere molti più zeri e uno di informazioni magnetiche all'interno della stessa area rispetto ai precedenti dischi rigidi, trasformando così la capacità di archiviazione. Conosciuto come magnetoresistenza gigante, questo in seguito ha fruttato il Premio Nobel per la Fisica ad Albert Fert e Peter Grunberg, i due scienziati che l'hanno scoperto contemporaneamente.

Spintronica chirale

Dalla nascita della spintronica, ci sono stati molti progressi importanti, compresi alcuni recenti eccitanti in un'area chiamata spintronica chirale. Considerando che di solito pensiamo a due magneti come aventi un "nord" e un "sud" che ruotano l'uno verso l'altro o in allontanamento l'uno dall'altro lungo una linea di 180º - guarda ad esempio la bussola verso la fine di questo video - in condizioni particolari, minuscoli magneti a livello atomico presentano anche interazioni di spin chirali. Ciò significa che i magneti vicini preferiscono orientarsi con angoli di 90º.

L'esistenza di queste interazioni è un ingrediente chiave per creare e manipolare pseudo-particelle chiamate skyrmioni magnetici, che hanno proprietà topologiche che consentono loro di eseguire applicazioni di calcolo in modo più efficace, con un enorme potenziale per migliorare ulteriormente l'archiviazione dei dati.

Fino ad ora, però, le interazioni di spin chirale erano state osservate e sfruttate solo nella spintronica 2-D. Nel nostro nuovo giornale, mostriamo per la prima volta che questa interazione può essere creata anche tra magneti situati in due strati magnetici vicini separati da uno strato metallico non magnetico ultrasottile.

Per questo, abbiamo creato un dispositivo con un totale di otto strati utilizzando una tecnica chiamata sputtering per depositare film sottili su scala nanometrica. Abbiamo dovuto mettere a punto con attenzione le interfacce degli strati per bilanciare altre interazioni magnetiche, e abbiamo studiato il comportamento del sistema sotto campi magnetici a temperatura ambiente utilizzando laser. Il comportamento del dispositivo è stato confermato da simulazioni magnetiche complementari eseguite dal nostro collaboratore dell'Università di Amburgo.

Questa scoperta apre nuove entusiasmanti strade per sfruttare ulteriori effetti spintronici 3D, con le interazioni di spin chirali che giocano un ruolo fondamentale per creare modi più compatti ed efficienti per archiviare e spostare i dati magnetici lungo l'intero spazio 3-D. Il lavoro futuro si concentrerà sulla ricerca di modi per aumentare la forza di questa interazione ed espandere la gamma di dispositivi in ​​cui è presente l'effetto. Prevediamo che il nostro lavoro attirerà grande interesse all'interno della comunità spintronica e stimolerà l'industria a continuare a lavorare su dispositivi di calcolo magnetici basati su questi concetti radicalmente nuovi.

Il primo impatto della spintronica nel mercato informatico è stato estremamente rapido:ci sono voluti solo otto anni dalla scoperta della gigantesca magnetoresistenza al lancio del Deskstar 16GP Titan di IBM nel 1997. Il salto verso il 3D deve ancora superare numerosi ostacoli, dalla fabbricazione precisa dei dispositivi necessari allo sfruttamento delle interazioni magnetiche in architetture di calcolo non convenzionali. La nostra recente scoperta ci avvicina di un passo al raggiungimento di questo obiettivo molto impegnativo ma entusiasmante.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.