Strisce di materiale magnetico (piccoli rettangoli colorati) si trovano in cima a blocchi di un metallo pesante non magnetico (grandi rettangoli blu). Quando un campo elettrico viene applicato a un blocco non magnetico, un flusso di elettroni spin polarizzati entra nelle strisce magnetiche e altera la direzione della magnetizzazione (frecce nere). Credito:aneto/NIST
Nel lavoro che potrebbe contribuire a rendere possibile un più veloce, metodo di archiviazione dei dati più duraturo e a basso consumo energetico per i consumatori e le imprese, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno sviluppato una tecnica per l'imaging e lo studio di una promettente classe di dispositivi magnetici con un dettaglio 10 volte maggiore rispetto ai microscopi ottici.
I materiali magnetici hanno attratto un numero crescente di ricercatori nella ricerca di memorizzare e leggere più rapidamente frammenti di informazioni digitali. In un sistema magnetico, i dati sono codificati dalla direzione della magnetizzazione:un magnete a barra con il polo nord rivolto verso l'alto può rappresentare il codice binario "0, " mentre lo stesso magnete con il polo nord rivolto verso il basso può rappresentare un "1". A differenza del chip del computer a semiconduttore standard, i dispositivi di memoria magnetica possono conservare le informazioni anche se l'alimentazione è spenta.
Controllando quando e quanto velocemente la magnetizzazione può essere capovolta senza consumare energia elettrica significativa, gli scienziati sperano di migliorare una tecnologia esistente chiamata Magnetic Random Access Memory, o MRAM, in uno strumento leader per la lettura, scrivere e memorizzare informazioni. La MRAM non è ancora competitiva con altri metodi esistenti di archiviazione dei dati come la RAM flash, ma offre vantaggi rispetto alle tecnologie attuali come il consumo di energia ridotto.
Per realizzare la promessa di MRAM, i ricercatori stanno sondando la struttura magnetica su scala nanometrica di sottili pellicole metalliche che hanno il potenziale per fungere da dispositivi di memoria nella MRAM. Al NIST, Ian Gilbert e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica di imaging elettronico ad alta risoluzione, sviluppato dal fisico John Unguris, esaminare la nanostruttura dei film magnetici prima e dopo che la loro magnetizzazione è stata invertita.
La tecnica, microscopia elettronica a scansione con analisi di polarizzazione (SEMPA), utilizza un fascio di elettroni dispersi da un film sottile per rivelare la topografia su scala nanometrica, pieno di colline e valli in miniatura, della superficie del film. Anche gli elettroni espulsi dalla superficie dal fascio di elettroni in arrivo vengono rilevati e separati in base alla direzione del loro spin, una proprietà quantistica che conferisce alle particelle cariche un momento angolare intrinseco e un minuscolo campo magnetico. La direzione degli spin degli elettroni espulsi rivela variazioni nella struttura magnetica del campione, cambiamenti nella direzione della magnetizzazione, su una scala circa 10 volte più piccola di quella osservata con un microscopio ottico.
La capacità di SEMPA di distinguere minuscole strutture magnetiche è fondamentale poiché gli ingegneri fabbricano dispositivi di memoria magnetica sempre più piccoli, ha osservato Gilberto. Con SEMPA, "possiamo vedere queste trame davvero fini nella magnetizzazione, " Egli ha detto.
Gilbert e i suoi collaboratori, che includono scienziati del NIST e dell'Università del Maryland, hanno anche usato lo spin dell'elettrone per capovolgere la magnetizzazione nel loro campione di film sottile, una lega di cobalto, ferro e boro. Facendo passare una piccola corrente elettrica attraverso una striscia sottostante di una pellicola metallica non magnetica come il platino, il team ha creato un flusso di elettroni i cui spin puntano tutti nella stessa direzione. Quando questo flusso di elettroni, nota come corrente di spin, passato attraverso il film sottile magnetico, la loro rotazione esercitava una piccola forza di torsione, o coppia, sulle regioni magnetiche del film. La coppia era abbastanza grande da ruotare e capovolgere la magnetizzazione.
Le immagini SEMPA scattate prima dell'applicazione di una corrente hanno rivelato che la direzione della magnetizzazione variava, su scala nanometrica, attraverso il campione di film sottile. Ogni piccola regione del campione ha il proprio asse preferito lungo il quale punta la magnetizzazione, disse Gilberto. Il team ha recentemente riportato i suoi risultati sulla rivista Revisione fisica B .
Tali variazioni su scala nanometrica della magnetizzazione potrebbero diventare cruciali per documentare, disse Gilberto, per gli ingegneri che cercano di ottimizzare le prestazioni di un dispositivo di memoria magnetica. La variazione nella direzione della magnetizzazione potrebbe anche influenzare la capacità dello spin dell'elettrone di capovolgere la magnetizzazione.
"Invece di alzare o abbassare la magnetizzazione, la corrente di spin capovolge la magnetizzazione lungo qualunque sia il suo asse locale [di spin] preferito, " nota Gilbert. La variazione nella direzione della magnetizzazione suggerisce che i materiali utilizzati per i dispositivi di memoria magnetica potrebbero dover essere riscaldati delicatamente, un processo che allinea i domini magnetici su scala nanometrica.
In un lavoro separato, Gli scienziati del NIST Mark Stiles e Vivek Amin, che ha un appuntamento congiunto con l'Università del Maryland, concentrarsi sulla teoria che descrive la coppia misurata negli esperimenti SEMPA. Là, un flusso di elettroni polarizzati generato in una striscia metallica non magnetica interagisce con la magnetizzazione di un materiale sovrastante. In particolare, il team ha sviluppato un modello che può aiutare a determinare quale gruppo di elettroni polarizzati gioca il ruolo più importante nell'invertire la direzione della magnetizzazione nel materiale adiacente, quelli originari della superficie del materiale non magnetico o quelli dall'interno.
La risposta potrebbe guidare la fabbricazione di dispositivi di memoria magnetica più efficienti. Ad esempio, determinare quale gruppo di elettroni sono gli attori dominanti potrebbe suggerire modi per ridurre al minimo la corrente necessaria per capovolgere la magnetizzazione, disse Stiles.
"Proprio adesso, stiamo pubblicizzando il modello agli sperimentalisti, cercando di convincerli a usarlo per comprendere meglio i loro dati, " ha osservato.
