I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e dell'ETH di Zurigo hanno scoperto uno speciale fenomeno del magnetismo nella gamma nano. Consente di assemblare i magneti in configurazioni insolite. Questo potrebbe essere usato per costruire memorie per computer e interruttori per aumentare le prestazioni dei microprocessori. I risultati di questo lavoro sono stati ora pubblicati sulla rivista Scienza .

I magneti sono caratterizzati dal fatto di avere un polo nord e un polo sud. Se due magneti comuni vengono tenuti vicini l'uno all'altro, poli opposti si attraggono e poli simili si respingono. Ecco perché gli aghi magnetici, come quelli trovati in una bussola, allinearsi nel campo magnetico terrestre in modo che possiamo usarli per determinare le direzioni cardinali Nord e Sud e, derivato da questo, Est e Ovest. Nel mondo che sperimentiamo ogni giorno con i nostri sensi, questa regola è corretta. Però, se esci dal mondo macroscopico e ti immergi in profondità di dimensioni molto più piccole, questo cambia. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e dell'ETH di Zurigo hanno scoperto un'interazione magnetica molto speciale a livello di strutture nanoscopiche costituite da strati magnetici dello spessore di pochi atomi.

Gli atomi si comportano come minuscoli aghi di bussola e dispiegano il loro effetto su distanze minuscole nell'ordine dei nanometri, che significa pochi milionesimi di millimetro. Ecco perché i ricercatori li chiamano anche nanomagneti.

Il fenomeno che i ricercatori del PSI sono stati ora in grado di osservare si basa su un'interazione che i due fisici Igor Dzyaloshinskii e Toru Mariya avevano predetto più di 60 anni fa. "Questo è stato il nostro punto di partenza", dice Zhaochu Luo, fisico al PSI e all'ETH di Zurigo.

Accoppiamento di atomi nord-ovest e sud-est

In questa interazione, gli aghi della bussola atomica non si allineano solo in direzione nord-sud, ma anche in direzione est-ovest. "Dove puntano dipende da come si orientano gli atomi nelle loro vicinanze", dice Zhaochu Luo, primo autore dello studio. Per esempio, se un gruppo di atomi punta a nord, il gruppo vicino punta sempre ad Ovest. E se un gruppo di atomi punta a Sud, poi gli atomi vicini si orientano verso est.

Questi orientamenti possono essere invertiti da campi magnetici o correnti elettriche, cioè da nord a sud e viceversa. I gruppi atomici vicini quindi si riorientano di conseguenza, o da Ovest a Est o viceversa.

I ricercatori hanno scoperto l'accoppiamento dell'orientamento nord-ovest e sud-est con l'aiuto di uno strato di atomi di cobalto spesso solo 1,6 nanometri, che è stato inserito tra uno strato di platino da un lato e uno strato di ossido di alluminio dall'altro. "Lo sviluppo di questi strati speciali solo per i nostri esperimenti ha richiesto circa sei mesi", dice Zhaochu Luo. Lavora nel gruppo di ricerca Mesoscopic Systems al PSI guidato da Laura Heyderman, che è anche professore all'ETH di Zurigo.

Ciò che è insolito è che questa interazione avviene lateralmente, che è in un piano. In precedenza, comparable couplings between nanomagnets could only be detected vertically, with groups of atoms arranged one above the other.

The phenomenon observed jointly by PSI and ETH Zurich researchers enables the development of planar magnetic networks. Tra l'altro, synthetic antiferromagnets can be produced. In these antiferromagnets, atomic groups point either North or South at regular intervals. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, a prima vista, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.

The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, Per esempio, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.

Logical gates for computers

The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.

According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Scienza .