Nell'esperimento, i ricercatori hanno inserito due strati atomici di CrI3 tra i contatti di grafene e hanno misurato il flusso di elettroni attraverso il CrI3. Credito:Tiancheng Song
I materiali magnetici sono la spina dorsale delle moderne tecnologie informatiche digitali, come l'archiviazione su disco rigido. Un team guidato dall'Università di Washington ha ora compiuto un ulteriore passo avanti codificando le informazioni utilizzando magneti che sono solo pochi strati di atomi di spessore. Questa svolta potrebbe rivoluzionare sia le tecnologie di cloud computing che l'elettronica di consumo consentendo l'archiviazione dei dati a una maggiore densità e una migliore efficienza energetica.
In uno studio pubblicato online il 3 maggio sulla rivista Scienza , i ricercatori riferiscono di aver utilizzato pile di materiali ultrasottili per esercitare un controllo senza precedenti sul flusso di elettroni in base alla direzione dei loro spin, dove gli "spin" elettronici sono analoghi a minuscoli, magneti subatomici. I materiali che hanno usato includono fogli di tri-ioduro di cromo (CrI3), un materiale descritto nel 2017 come il primo isolante magnetico 2-D in assoluto. Quattro fogli, ciascuno spesso solo atomi, hanno creato il sistema più sottile finora in grado di bloccare gli elettroni in base ai loro spin esercitando un controllo più di 10 volte più forte rispetto ad altri metodi.
"Il nostro lavoro rivela la possibilità di spingere l'archiviazione delle informazioni basata su tecnologie magnetiche al limite atomicamente sottile, ", ha detto il co-autore Tiancheng Song, uno studente di dottorato in fisica UW.
Nella ricerca correlata, pubblicato il 23 aprile in Nanotecnologia della natura , il team ha trovato il modo di controllare elettricamente le proprietà magnetiche di questo magnete atomicamente sottile.
"Con la crescita esplosiva delle informazioni, la sfida è come aumentare la densità di archiviazione dei dati riducendo l'energia operativa, " ha detto l'autore corrispondente Xiaodong Xu, un professore UW di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali, e ricercatore di facoltà presso l'UW Clean Energy Institute. "La combinazione di entrambi i lavori indica la possibilità di progettare dispositivi di memoria magnetica atomicamente sottili con ordini di grandezza del consumo di energia inferiori a quelli attualmente realizzabili".
Il nuovo Scienza l'articolo esamina anche come questo materiale potrebbe consentire un nuovo tipo di memoria che sfrutti gli spin degli elettroni in ogni singolo foglio.
Una rappresentazione della struttura cristallina del triioduro di cromo (CrI3), con atomi di cromo mostrati in viola e atomi di iodio in giallo. Le frecce nere rappresentano gli "spin" dell'elettrone, " che sono analoghi ai minuscoli magneti a barra. Credito:Tiancheng Song
I ricercatori hanno inserito due strati di CrI3 tra fogli conduttori di grafene. Hanno mostrato che, a seconda di come sono allineati gli spin tra ciascuno dei fogli CrI3, gli elettroni possono fluire senza impedimenti tra i due fogli di grafene o sono stati in gran parte bloccati dal flusso. Queste due diverse configurazioni potrebbero fungere da bit (gli zeri e gli uno del codice binario nell'informatica quotidiana) per codificare le informazioni.
"Le unità funzionali di questo tipo di memoria sono giunzioni di tunnel magnetici, o MTJ, che sono "porte" magnetiche che possono sopprimere o far passare la corrente elettrica a seconda di come gli spin si allineano nella giunzione, ", ha affermato il co-autore Xinghan Cai, un ricercatore post-dottorato UW in fisica. "Un tale cancello è fondamentale per realizzare questo tipo di archiviazione dati su piccola scala".
Con un massimo di quattro strati di CrI3, il team ha scoperto il potenziale per l'archiviazione di informazioni "multi-bit". In due strati di CrI3, gli spin tra ogni strato sono allineati nella stessa direzione o in direzioni opposte, portando a due diverse velocità con cui gli elettroni possono fluire attraverso il cancello magnetico. Ma con tre e quattro strati, ci sono più combinazioni per i giri tra ogni strato, portando a molteplici, velocità distinte alle quali gli elettroni possono fluire attraverso il materiale magnetico da un foglio di grafene all'altro.
"Invece che il tuo computer abbia solo due scelte in cui archiviare un pezzo di dati, può avere una scelta A, B, C, anche D e oltre, " ha detto il co-autore Bevin Huang, uno studente di dottorato in fisica UW. "Quindi non solo i dispositivi di archiviazione che utilizzano giunzioni CrI3 sarebbero più efficienti, ma memorizzerebbero intrinsecamente più dati."
I materiali e l'approccio dei ricercatori rappresentano un miglioramento significativo rispetto alle tecniche esistenti in condizioni operative simili utilizzando l'ossido di magnesio, che è più spesso, meno efficace nel bloccare gli elettroni e manca l'opzione per l'archiviazione delle informazioni multi-bit.
"Sebbene il nostro attuale dispositivo richieda campi magnetici modesti e funzioni solo a bassa temperatura, impraticabile per l'uso nelle tecnologie attuali, il concetto del dispositivo e il principio operativo sono nuovi e innovativi, " disse Xu. "Ci auguriamo che con il controllo elettrico sviluppato del magnetismo e un po' di ingegnosità, queste giunzioni a tunnel possono operare con ridotta o addirittura senza necessità di un campo magnetico ad alta temperatura, che potrebbe essere un punto di svolta per la nuova tecnologia di memoria."
