La microscopia a raggi X molli a trasmissione magnetica mostra il contrario della circolarità di spin nei vortici magnetici in una fila di nanodischi, dopo aver applicato un impulso di 1,5 nanosecondi di campo magnetico. Il cambiamento da sinistra a destra non è un cambiamento nell'illuminazione, come può sembrare, ma è invece dovuto al cambiamento del contrasto magnetico. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
La ricerca presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory promette celle magnetiche a quattro bit invece dei domini magnetici a due bit delle memorie magnetiche standard. I vortici magnetici sono vortici di campo magnetico, in cui gli spin dell'elettrone puntano in senso orario o antiorario. Nel centro affollato del vortice le rotazioni puntano verso il basso o verso l'alto. Questi quattro orientamenti potrebbero rappresentare bit separati di informazioni in un nuovo tipo di memoria, se controllati indipendentemente e simultaneamente.
"Abbiamo speso il 15% dell'energia domestica in gadget nel 2009, e acquistiamo sempre più gadget, " afferma Peter Fischer del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. Fischer ti fa sapere subito che mentre è la curiosità scientifica che ispira la sua ricerca presso l'Advanced Light Source (ALS) del laboratorio, intende che aiuti a risolvere problemi urgenti.
"Ciò su cui stiamo lavorando ora potrebbe rendere questi gadget centinaia di volte migliori ed essere anche cento volte più efficienti dal punto di vista energetico, "dice Fischer, uno scienziato del personale nella divisione di scienze dei materiali. In qualità di investigatore principale presso il Center for X-Ray Optics, guida la linea di luce ALS 6.1.2, dove si specializza in studi sul magnetismo.
Fischer ha recentemente fornito supporto critico a un team guidato da Vojtĕch Uhlíř della Brno University of Technology nella Repubblica Ceca e dal Center for Magnetic Recording Research presso l'Università della California, San Diego. I ricercatori di entrambe le istituzioni e del Berkeley Lab hanno utilizzato le capacità uniche della linea di luce 6.1.2 per far avanzare un nuovo concetto di memoria magnetica.
"La memoria magnetica è al centro della maggior parte dei dispositivi elettronici, "dice Fischer, "e dal punto di vista dello scienziato, il magnetismo riguarda il controllo dello spin dell'elettrone."
Le memorie magnetiche immagazzinano bit di informazione in unità discrete i cui elettroni girano tutti allineati in parallelo, che indica un modo o il contrario per indicare uno o uno zero. Quello che Fischer e i suoi colleghi propongono è l'archiviazione multibit in cui ogni unità ha quattro stati invece di due e può memorizzare il doppio delle informazioni.
La chiave sono i vortici magnetici – vortici di campo magnetico – confinati in minuscoli dischi di metallo di pochi miliardesimi di metro (nanometri) di diametro. Gli spin degli elettroni cercano l'energia più bassa possibile; fa girare quel punto in direzioni opposte, antiparallelo, energia di costo. Quindi gli elettroni si allineano con tutti i loro spin che puntano in un cerchio, in senso orario o antiorario attorno al disco.
Nel cuore del vortice, però, dove i cerchi diventano sempre più piccoli e gli spin vicini si allineeranno inevitabilmente in modo antiparallelo, tendono a inclinarsi fuori dal piano, che punta in alto o in basso.
"Quindi ogni disco ha quattro bit invece di due - circolarità sinistra o destra e polarità su o giù del nucleo - ma devi essere in grado di controllare l'orientamento di ciascuno indipendentemente, "dice Fischer.
L'elettrone ruota in un vortice magnetico tutto in parallelo, sia in senso orario che antiorario. Le rotazioni nel nucleo affollato del vortice devono puntare fuori dal piano, o su o giù. I quattro possibili orientamenti di circolarità e polarità potrebbero formare le celle dei sistemi di memorizzazione e elaborazione magnetici multibit. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Su, fuori uso, e intorno - prendere il controllo
Applicando un forte, il campo magnetico esterno costante può invertire la polarità del nucleo, ma i dispositivi pratici non possono tollerare campi forti, e hanno bisogno di interruttori più veloci. I precedenti ricercatori dell'ALS avevano scoperto che con deboli campi magnetici oscillanti nel piano del nanodisco potevano spostare rapidamente il nucleo fuori dalla sua posizione centrale e ottenere lo stesso risultato.
"Invece di un campo statico, lo muovi, " spiega Fischer. Quando il nucleo viene allontanato dal centro del disco, onde magnetiche successive - cambiamenti nell'orientamento dello spin - spostano il nucleo sempre più velocemente finché la sua polarità non si capovolge nell'orientamento opposto.
Il team ha utilizzato la linea di luce ALS 6.1.2 per dimostrare, per la prima volta, che metodi simili possono controllare la circolarità dei vortici magnetici.
In questo caso, il "wiggle" spinge il core fuori dal bordo del disco. Una volta espulso, il vortice crolla e si riforma, con spin che puntano nella direzione opposta:in senso orario invece che antiorario, o vice versa.
Beamline 6.1.2 è specializzata nella microscopia a trasmissione di raggi X molli degli stati magnetici, che ha permesso ai ricercatori di realizzare immagini dirette di come la forza e la durata dei treni di impulsi elettrici e magnetici influenzassero la circolarità del vortice. Hanno scoperto che il controllo dipende dalla geometria del disco.
I dischi erano tutti affusolati, con fette diagonali dalle loro superfici superiori che servivano ad accelerare il nucleo, una volta che ha iniziato a muoversi. Ma spessore e diametro erano i fattori importanti:più piccolo era il disco, meglio è.
Dischi "spessi" (30 nanometri) di oltre mille nanometri di diametro erano pigri, impiegando più di tre nanosecondi per cambiare la circolarità. Ma i dischi spessi solo 20 nanometri e larghi 100 nanometri potrebbero cambiare orientamento in meno di mezzo nanosecondo.
Resta molto da fare prima che il multibit a quattro valori diventi pratico, La polarità può essere controllata, e la circolarità può essere controllata, ma finora non possono essere controllati allo stesso tempo. I piani per farlo sono in lavorazione.
"Questa è la base scientifica per possibili applicazioni a venire, " dice Fischer. "Stiamo già cercando modi per controllare lo spin con la temperatura e la tensione, su come disaccoppiare completamente lo spin dalle correnti di carica, e persino ai modi per accoppiare catene di nanodischi insieme per costruire dispositivi logici, non solo per la memoria, ma per il calcolo."
Secondo Fischer, gli strumenti dei microscopi a raggi X morbidi della SLA sono in pole position per la corsa nella ricerca sul magnetismo. "Nessun metodo oltre alla microscopia a raggi X può fornire informazioni altrettanto complete, sia per identificare i materiali magnetici che per visualizzare le dinamiche più veloci degli stati magnetici su scala nanometrica. Gli strumenti che abbiamo sono unici e servono l'intera comunità del vortice, In tutto il mondo."
