Quando salvi un'immagine sul tuo smartphone, quei dati sono scritti su minuscoli transistor che vengono accesi o spenti elettricamente in uno schema di "bit" per rappresentare e codificare quell'immagine. La maggior parte dei transistor odierni sono realizzati in silicio, un elemento che gli scienziati sono riusciti a cambiare su scale sempre più piccole, abilitando miliardi di bit, e quindi grandi librerie di immagini e altri file, da impacchettare su un singolo chip di memoria.

Ma la crescente domanda di dati, e i mezzi per conservarli, sta spingendo gli scienziati a cercare oltre il silicio materiali in grado di spingere i dispositivi di memoria a densità più elevate, velocità, e sicurezza.

Ora i fisici del MIT hanno mostrato prove preliminari che i dati potrebbero essere archiviati più velocemente, più denso, e bit più sicuri realizzati con antiferromagneti.

antiferromagnetico, o i materiali AFM sono i cugini meno noti dei ferromagneti, o materiali magnetici convenzionali. Dove gli elettroni nei ferromagneti ruotano in sincronia, una proprietà che consente all'ago di una bussola di puntare verso nord, seguendo collettivamente il campo magnetico terrestre:gli elettroni in un antiferromagneto preferiscono lo spin opposto al loro vicino, in un "antiallineamento" che spegne efficacemente la magnetizzazione anche alle scale più piccole.

L'assenza di magnetizzazione netta in un antiferromagnete lo rende impermeabile a qualsiasi campo magnetico esterno. Se sono stati trasformati in dispositivi di memoria, i bit antiferromagnetici potrebbero proteggere i dati codificati dalla cancellazione magnetica. Potrebbero anche essere trasformati in transistor più piccoli e confezionati in numero maggiore per chip rispetto al silicio tradizionale.

Ora il team del MIT ha scoperto che drogando elettroni extra in un materiale antiferromagnetico, possono attivare e disattivare la sua disposizione collettiva antiallineata, in modo controllabile. Hanno scoperto che questa transizione magnetica è reversibile, e sufficientemente nitido, simile alla commutazione dello stato di un transistor da 0 a 1. I risultati, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , dimostrare un potenziale nuovo percorso per utilizzare gli antiferromagneti come interruttore digitale.

"Una memoria AFM potrebbe consentire di aumentare la capacità di archiviazione dei dati dei dispositivi attuali:stesso volume, ma più dati, ", afferma l'autore principale dello studio Riccardo Comin, assistente professore di fisica al MIT.

I coautori del MIT di Comin includono l'autore principale e lo studente laureato Jiarui Li, insieme a Zhihai Zhu, Grazia Zhang, e Da Zhou; così come Roberg Green dell'Università del Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sole, e Shriram Ramanathan della Purdue University; Ronny Sutarto e Feizhou He di Canadian Light Source; e Jerzy Sadowski al Brookhaven National Laboratory.

Memoria magnetica

Per migliorare la memorizzazione dei dati, alcuni ricercatori stanno cercando MRAM, o RAM magnetoresistiva, un tipo di sistema di memoria che memorizza i dati come bit realizzati con materiali magnetici convenzionali. In linea di principio, un dispositivo MRAM sarebbe modellato con miliardi di bit magnetici. Per codificare i dati, la direzione di un dominio magnetico locale all'interno del dispositivo è capovolta, simile alla commutazione di un transistor da 0 a 1.

I sistemi MRAM potrebbero potenzialmente leggere e scrivere dati più velocemente dei dispositivi basati su silicio e potrebbero funzionare con meno energia. Ma potrebbero anche essere vulnerabili ai campi magnetici esterni.

"Il sistema nel suo insieme segue un campo magnetico come un girasole segue il sole, ed è per questo, se prendi un dispositivo di archiviazione dati magnetico e lo metti in un campo magnetico moderato, le informazioni vengono completamente cancellate, "Comin dice.

Antiferromagneti, in contrasto, non sono influenzati da campi esterni e potrebbero quindi essere un'alternativa più sicura ai progetti MRAM. Un passo essenziale verso i bit AFM codificabili è la capacità di attivare e disattivare l'antiferromagnetismo. I ricercatori hanno trovato vari modi per farlo, principalmente utilizzando la corrente elettrica per commutare un materiale dal suo ordinato antiallineamento, a un disordine casuale di rotazioni.

"Con questi approcci, il cambio è molto veloce, " dice Li. "Ma il rovescio della medaglia è che ogni volta che hai bisogno di una corrente per leggere o scrivere, che richiede molta energia per operazione. Quando le cose si fanno molto piccole, l'energia e il calore generati dalle correnti correnti sono significativi."

Disturbo da droga

Comin ei suoi colleghi si sono chiesti se avrebbero potuto ottenere la commutazione antiferromagnetica in modo più efficiente. Nel loro nuovo studio, funzionano con nichelato al neodimio, un ossido antiferromagnetico cresciuto nel laboratorio di Ramanathan. Questo materiale presenta nanodomini costituiti da atomi di nichel con spin opposto a quello del suo vicino, e tenuti insieme da atomi di ossigeno e neodimio. I ricercatori avevano precedentemente mappato le proprietà frattali del materiale.

Da allora, i ricercatori hanno cercato di vedere se potevano manipolare l'antiferromagnetismo del materiale tramite il doping, un processo che introduce intenzionalmente impurità in un materiale per alterarne le proprietà elettroniche. Nel loro caso, i ricercatori hanno drogato l'ossido di nichel al neodimio spogliando il materiale dei suoi atomi di ossigeno.

Quando un atomo di ossigeno viene rimosso, lascia dietro di sé due elettroni, che vengono ridistribuiti tra gli altri atomi di nichel e ossigeno. I ricercatori si sono chiesti se la rimozione di molti atomi di ossigeno avrebbe provocato un effetto domino di disordine che avrebbe disattivato l'ordinato antiallineamento del materiale.

Per testare la loro teoria, hanno fatto crescere film sottili 100 nanometri di ossido di nichel al neodimio e li hanno messi in una camera affamata di ossigeno, quindi riscaldato i campioni a temperature di 400 gradi Celsius per incoraggiare l'ossigeno a fuoriuscire dai film e nell'atmosfera della camera.

Man mano che rimuovevano progressivamente più ossigeno, hanno studiato le pellicole utilizzando tecniche avanzate di cristallografia a raggi X magnetici per determinare se la struttura magnetica del materiale fosse intatta, implicando che i suoi spin atomici rimasero nel loro ordinato antiallineamento, e quindi mantenuto antiferomagnetismo. Se i loro dati mostravano la mancanza di una struttura magnetica ordinata, sarebbe la prova che l'antiferromagnetismo del materiale si è spento, a causa del doping sufficiente.

Attraverso i loro esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di disattivare l'antiferromagnetismo del materiale a una certa soglia critica di doping. Potrebbero anche ripristinare l'antiferromagnetismo aggiungendo nuovamente ossigeno al materiale.

Ora che il team ha dimostrato che il doping attiva e disattiva efficacemente l'AFM, gli scienziati potrebbero usare modi più pratici per drogare materiali simili. Ad esempio, i transistor a base di silicio vengono commutati utilizzando "porte" attivate dalla tensione, " dove viene applicata una piccola tensione a un bit per alterare la sua conduttività elettrica. Comin afferma che i bit antiferromagnetici potrebbero anche essere commutati utilizzando opportuni gate di tensione, che richiederebbe meno energia rispetto ad altre tecniche di commutazione antiferromagnetica.

"Questo potrebbe rappresentare un'opportunità per sviluppare un dispositivo di archiviazione di memoria magnetica che funzioni in modo simile ai chip a base di silicio, con l'ulteriore vantaggio di poter archiviare informazioni in domini AFM che sono molto robusti e possono essere impacchettati ad alta densità, " Dice Comin. "Questa è la chiave per affrontare le sfide di un mondo basato sui dati".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.