I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford hanno fatto un passo avanti nella creazione e progettazione di vortici magnetici in membrane che possono essere perfettamente integrate con il silicio. Questi vortici magnetici simili a uragani, pensati per muoversi a velocità incredibili fino a chilometri al secondo, potrebbero essere utilizzati come vettori di informazioni in una nuova generazione di piattaforme informatiche ecologiche e superveloci.
Lo studio, "Stati antiferromagnetici riconfigurabili spazialmente in nanomembrane indipendenti topologicamente ricche", è stato pubblicato su Nature Materials .
Tradizionalmente, questi vortici sfuggenti potevano essere prodotti solo in materiali che hanno una compatibilità limitata con il silicio, il che ne ostacola l’applicazione pratica. Questo ostacolo è stato superato sviluppando una nuova forma di strati magnetici che possono essere staccati dai cristalli ospitanti originali e trasferiti su qualsiasi piattaforma desiderata, come un wafer di silicio.
Il lavoro è stato condotto dal dottor Hariom Jani del Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford che lavora nel gruppo di ricerca del professor Paolo Radaelli, in collaborazione con l'Università Nazionale di Singapore e la Swiss Light Source.
Il Dr. Jani ha affermato:"L'informatica basata sul silicio è troppo inefficiente dal punto di vista energetico per la prossima generazione di applicazioni informatiche come l'intelligenza artificiale su vasta scala e i dispositivi autonomi. Superare queste sfide richiederà un nuovo paradigma informatico che utilizzi fenomeni fisici che siano sia veloci che rapidi". ed efficiente per potenziare la tecnologia attuale."
"Abbiamo cercato di sfruttare i vortici magnetici in una classe speciale di materiali chiamati antiferromagneti, che sono 100-1.000 volte più veloci dei dispositivi moderni. Il problema fino ad oggi è stato che questi vortici possono essere creati solo su modelli di cristallo rigidi che sono incompatibili con l'attuale tecnologia basata sul silicio, quindi il nostro obiettivo era trovare un modo per tradurre questi vortici esotici nel silicio."
"Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo fabbricato membrane cristalline ultrasottili di ematite (il componente principale della ruggine e quindi l'antiferromagnete più abbondante) che si estendevano lateralmente su dimensioni macroscopiche", spiega il professor Radaelli. "Tali membrane sono relativamente nuove nel mondo dei materiali quantistici cristallini e combinano caratteristiche vantaggiose sia della ceramica 3D sfusa che dei materiali 2D, pur essendo facilmente trasferibili."
Lo strato di ematite è stato coltivato sopra una sagoma di cristallo rivestita con uno speciale "strato sacrificale" costituito da un componente di cemento. Questo strato sacrificale si dissolveva in acqua, separando facilmente l'ematite dalla base cristallina. Infine, la membrana di ematite indipendente è stata trasferita su silicio e su diverse altre piattaforme desiderabili.
Il gruppo ha sviluppato una nuova tecnica di imaging utilizzando raggi X polarizzati linearmente per visualizzare i modelli magnetici su scala nanometrica all'interno di queste membrane. Questo metodo ha rivelato che gli strati indipendenti sono in grado di ospitare una robusta famiglia di vortici magnetici. Potenzialmente, ciò potrebbe consentire un'elaborazione delle informazioni ultrarapida.
"Una delle nostre scoperte più entusiasmanti è stata l'estrema flessibilità delle nostre membrane di ematite", afferma la Dott.ssa Jani.
"A differenza delle loro controparti rigide, simili alla ceramica, che sono inclini a rompersi, le nostre membrane flessibili possono essere attorcigliate, piegate o arricciate in varie forme senza fratturarsi. Abbiamo sfruttato questa nuova flessibilità per progettare vortici magnetici in tre dimensioni, qualcosa che in precedenza era non è possibile in futuro, la forma di queste membrane potrebbe essere modificata per realizzare vortici completamente nuovi nei circuiti magnetici 3D."
Il gruppo sta ora lavorando allo sviluppo di dispositivi prototipo che utilizzeranno correnti elettriche per eccitare la ricca dinamica di questi vortici superveloci. Il dottor Jani conclude:"Alla fine, tali dispositivi potrebbero essere integrati in nuovi tipi di computer che funzioneranno in modo più simile al cervello umano:siamo molto entusiasti di ciò che verrà dopo."
Ulteriori informazioni: Hariom Jani et al, Stati antiferromagnetici spazialmente riconfigurabili in nanomembrane indipendenti topologicamente ricche, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01806-2
Fornito dall'Università di Oxford
