Che si tratti di inviare ai nonni alcune foto dei bambini, streaming di film o musica, o navigare in Internet per ore, il volume di dati che la nostra società genera è in continuo aumento. Ma questo ha un prezzo, poiché l'archiviazione dei dati consuma enormi quantità di energia. Supponendo che i volumi di dati continuino a crescere in futuro, anche il relativo consumo energetico aumenterà di diversi ordini di grandezza. Per esempio, si prevede che il consumo di energia nel settore IT salirà a dieci petawattora, o dieci trilioni di kilowattora, entro il 2030. Ciò equivarrebbe a circa la metà dell'elettricità prodotta a livello mondiale.

Ma cosa si può fare per ridurre la quantità di energia necessaria ai server per funzionare? I dati vengono solitamente archiviati in un livello di archiviazione con l'aiuto della magnetizzazione. Per scrivere o cancellare i dati, le correnti elettriche passano attraverso strutture multistrato ferromagnetiche, dove gli elettroni che fluiscono generano un campo magnetico efficace. La magnetizzazione nello strato di immagazzinamento "percepisce" questo campo magnetico e cambia di conseguenza la sua direzione. Però, ogni elettrone può essere utilizzato una sola volta. Un importante passo avanti nell'archiviazione dei dati ad alta efficienza energetica prevede la costruzione di uno strato di archiviazione ferromagnetico che include un metallo pesante come il platino. Mentre la corrente scorre attraverso il metallo pesante, gli elettroni passano avanti e indietro tra il metallo pesante e lo strato ferromagnetico. Il grande vantaggio di questa tecnica è che gli elettroni possono essere riutilizzati più volte, e la corrente richiesta per scrivere i dati diminuisce di un fattore fino a mille.

Raddoppiare l'efficienza del processo di stoccaggio

Un team di ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) che lavora in collaborazione con i ricercatori del Forschungszentrum Jülich ha ora trovato un modo per raddoppiare ancora una volta l'efficienza di questo processo di archiviazione. "Invece di utilizzare il semplice silicio come substrato come è prassi consueta, utilizziamo un cristallo piezoelettrico, " ha spiegato la scienziata della JGU Mariia Filianina. "Attacciamo lo strato di metallo pesante e lo strato ferromagnetico a questo." Se poi viene applicato un campo elettrico al cristallo piezoelettrico, genera sollecitazioni meccaniche nel cristallo. Ciò a sua volta aumenta l'efficienza della commutazione magnetica dello strato di memoria, che è l'elemento che prevede l'archiviazione dei dati.

L'entità del miglioramento dell'efficienza è determinata dal sistema e dall'intensità del campo elettrico. "Possiamo misurare direttamente il cambiamento di efficienza e di conseguenza regolare l'intensità di campo appropriata, in realtà al volo, " disse Filianina. In altre parole, è possibile controllare direttamente l'efficacia del processo di commutazione magnetica mediante la regolazione dell'intensità del campo elettrico a cui è esposto il cristallo piezoelettrico.

Ciò non solo comporta una significativa riduzione del consumo energetico, ma rende anche possibile l'uso di architetture complesse per l'archiviazione delle informazioni. I ricercatori propongono che se il campo elettrico viene applicato solo a una piccola area del cristallo piezoelettrico, l'efficienza di commutazione sarà aumentata solo in quella posizione. Se ora regolano il sistema in modo che le coppie di spin degli elettroni possano essere commutate solo quando la deformazione viene amplificata nel cristallo piezoelettrico, possono modificare localmente la magnetizzazione.

"Utilizzando questo metodo, possiamo realizzare facilmente memorie multilivello e complesse architetture server, "dichiarò Filianina, un dottorando presso la Materials Science in Mainz Graduate School of Excellence e il Max Planck Graduate Center.

"Sono lieto che la collaborazione con i nostri colleghi di Jülich stia funzionando così bene. Senza l'aiuto della loro analisi teorica non saremmo in grado di spiegare le nostre osservazioni. Non vedo l'ora di continuare a lavorare con loro in relazione alla recente collaborazione -ottenuto ERC Synergy Grant, " ha sottolineato il professor Mathias Kläui, che ha coordinato il lavoro sperimentale.