Diagramma per mostrare come vengono controllati i punti Weyl. Credito:© 2020 Higo et al.
I ricercatori hanno dimostrato con successo un metodo per commutare un nuovo materiale tra due diversi stati non volatili a velocità molto elevate e con grande precisione. I componenti fisici del dispositivo in questione sono notevolmente robusti contro le influenze esterne come i campi magnetici. Questi risultati potrebbero portare a un dispositivo di memoria ad alta velocità e ad alta capacità con un'elevata efficienza energetica.
Nel 1929, il fisico teorico Hermann Weyl stava esplorando la nuova equazione di Dirac derivata, che descrive molte cose nella fisica delle particelle e ha portato alla scoperta dell'antimateria. Notò che l'equazione implicava l'esistenza di una particella senza massa, che divenne noto come il fermione di Weyl. Una volta si credeva che questa fosse la particella elementare del neutrino. Quasi un secolo dopo, nel 2015, il fermione di Weyl è stato finalmente scoperto nella realtà, e negli anni successivi, i fisici hanno cominciato non solo a capire, ma per trovare potenziali usi per esso. Un team di ricercatori del laboratorio guidato dal professor Satoru Nakatsuji dell'Istituto di fisica dello stato solido e del dipartimento di fisica dell'Università di Tokyo ha trovato un modo per utilizzare i fermioni di Weyl per creare dispositivi di memoria avanzati.
"Spintronics è una parola che probabilmente entusiasmerà coloro che sono interessati al futuro della tecnologia. In generale, è qualcosa che potrebbe sostituire e sostituire molte funzioni elettroniche nei dispositivi odierni, " ha spiegato il ricercatore associato Tomoya Higo. "Da un po' di tempo, materiali ferromagnetici, magneti che si comportano in modo familiare, sono stati utilizzati per esplorare i fenomeni spintronici. Ma esiste una classe migliore di materiali magnetici per questo scopo chiamati materiali antiferromagnetici, con cui sembra più difficile lavorare ma hanno molti vantaggi."
Gli antiferromagneti sono materiali interessanti perché offrono ai ricercatori molte proprietà utili che offrono i materiali ferromagnetici, ma sono meno soggetti a campi magnetici esterni a causa di una disposizione unica delle loro parti costituenti. Questo è un vantaggio quando si lavora con dispositivi di memoria, poiché la precisione e la robustezza sono importanti, ma questa disposizione speciale rende anche più difficile manipolare il materiale secondo necessità.
"Non era affatto ovvio se si potesse controllare uno stato antiferromagnetico con un semplice impulso elettrico come si può controllare uno stato ferromagnetico, " disse Nakatsuji.
È qui che entrano in gioco i fermioni di Weyl. "Nel nostro campione (lega antiferromagnetica manganese-stagno Mn 3 Sn), I fermioni di Weyl esistono nei punti di Weyl nello spazio del momento (non uno spazio fisico, ma un modo matematico di rappresentare i momenti delle particelle in un sistema). Questi punti Weyl hanno due possibili stati che potrebbero rappresentare cifre binarie, " ha spiegato il ricercatore post-dottorato Hanshen Tsai. "La nostra scoperta rivoluzionaria è che possiamo commutare un punto di Weyl tra questi stati con una corrente elettrica esterna applicata a strati sottili vicini di Mn3Sn e platino o tungsteno. Questo metodo è chiamato commutazione di coppia spin-orbita."
"La nostra scoperta indica che il fermione di Weyl senza massa inseguito dai fisici è stato trovato nel nostro magnete, e inoltre può essere manipolato elettricamente, " ha aggiunto Nakatsuji.
Grazie a un segnale molto grande prodotto dai fermioni di Weyl in Mn 3 Sn, è possibile il rilevamento della commutazione di coppia spin-orbita. La velocità di commutazione che corrisponde alla velocità con cui la memoria basata su tale tecnologia potrebbe essere scritta o letta è dell'ordine di trilioni di volte al secondo, o terahertz. La memoria del computer di fascia alta attuale cambia alcuni miliardi di volte al secondo, o gigahertz. Così, quando realizzato, potrebbe portare a un bel salto di prestazioni, ma c'è ancora molta strada da fare.
"C'erano due grandi sfide nel nostro studio. Uno era ottimizzare la sintesi di Mn 3 Sn film sottili. L'altro stava cercando di capire il meccanismo di commutazione, " ha detto Higo. "Siamo entusiasti non solo perché abbiamo trovato alcuni fenomeni interessanti, ma perché possiamo aspettarci che i nostri risultati possano avere importanti applicazioni in futuro. Creando nuovi materiali, scopriamo nuovi fenomeni che possono portare a nuovi dispositivi. La nostra ricerca è piena di sogni".
Lo studio è pubblicato su Natura .
