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Presso il Dipartimento dei materiali dell'ETH di Zurigo, Pietro Gambardella ei suoi collaboratori indagano sui dispositivi di memoria prospettici. Dovrebbero essere veloci, conserva i dati in modo affidabile per lungo tempo ed è anche economico. La cosiddetta RAM magnetica (MRAM) raggiunge questa quadratura del cerchio combinando una rapida commutazione tramite correnti elettriche con una memorizzazione durevole dei dati in materiali magnetici.

Alcuni anni fa, i ricercatori hanno dimostrato che un certo effetto fisico, la coppia spin-orbita, rende possibile una memorizzazione dei dati particolarmente veloce. Ora, Il gruppo di Gambardella e IMEC in Belgio hanno risolto temporaneamente le dinamiche esatte di un singolo evento di archiviazione di questo tipo e hanno utilizzato alcuni trucchi per renderlo ancora più veloce.

Magnetizzazione con giri singoli

La memorizzazione dei dati magneticamente richiede l'inversione della direzione di magnetizzazione di un ferromagnetico (cioè, materiale permanentemente magnetico) per rappresentare l'informazione come valore logico, zero o uno. Nelle vecchie tecnologie, come nastri magnetici o dischi rigidi, ciò è stato ottenuto attraverso campi magnetici prodotti all'interno di bobine che trasportano corrente. Moderna tecnologia MRAM, al contrario, utilizza direttamente gli spin degli elettroni, che fluiscono direttamente attraverso uno strato magnetico come corrente elettrica. Negli esperimenti di Gambardella, gli elettroni con direzioni di spin opposte sono spazialmente separati dall'interazione spin-orbita. Questo, a sua volta, crea un campo magnetico efficace, che può essere utilizzato per invertire la direzione di magnetizzazione di un minuscolo punto metallico.

"Sappiamo da esperimenti precedenti in cui abbiamo scansionato stroboscopicamente un singolo punto metallico magnetico con raggi X che l'inversione della magnetizzazione avviene molto rapidamente, in circa un nanosecondo, "dice Eva Grimaldi, un post-doc nel gruppo di Gambardella. "Però, quelli erano valori medi mediati su molti eventi di inversione. Ora, volevamo sapere esattamente come si svolge un singolo evento del genere e dimostrare che può funzionare su un dispositivo di memoria magnetica compatibile con l'industria".

Risoluzione temporale attraverso un incrocio di tunnel

Fare così, i ricercatori hanno sostituito il punto metallico isolato con una giunzione a tunnel magnetico. Tale giunzione a tunnel contiene due strati magnetici separati da uno strato isolante spesso solo un nanometro. A seconda della direzione di rotazione, lungo la magnetizzazione degli strati magnetici, o al contrario, gli elettroni possono passare attraverso quello strato isolante più o meno facilmente. Ne risulta una resistenza elettrica che dipende dall'allineamento della magnetizzazione in uno strato rispetto all'altro e rappresenta quindi zero e uno. Dalla dipendenza dal tempo di quella resistenza durante un evento di inversione, i ricercatori potrebbero ricostruire l'esatta dinamica del processo. In particolare, hanno scoperto che l'inversione della magnetizzazione avviene in due fasi:una fase di incubazione, durante il quale la magnetizzazione rimane costante, e la fase di inversione effettiva, che dura meno di un nanosecondo.

Piccole fluttuazioni

"Per un dispositivo di memoria veloce e affidabile, è essenziale che le fluttuazioni temporali tra i singoli eventi di inversione siano ridotte al minimo, " spiega Viola Krizakova, dottoranda di Gambardella. Quindi, in base ai loro dati, gli scienziati hanno sviluppato una strategia per ridurre al minimo queste fluttuazioni. A quello scopo, hanno modificato gli impulsi di corrente utilizzati per controllare l'inversione di magnetizzazione in modo da introdurre due ulteriori fenomeni fisici. La cosiddetta coppia di trasferimento di spin, così come un breve impulso di tensione durante la fase di inversione, ha comportato una riduzione del tempo totale per l'evento di inversione a meno di 0,3 nanosecondi, con fluttuazioni temporali inferiori a 0,2 nanosecondi.

Tecnologia pronta per l'applicazione

"Mettendo tutto questo insieme, abbiamo trovato un metodo in base al quale i dati possono essere archiviati in giunzioni di tunnel magnetici praticamente senza alcun errore e in meno di un nanosecondo, " dice Gambardella. Inoltre, la collaborazione con il centro di ricerca IMEC ha permesso di testare la nuova tecnologia direttamente su un wafer compatibile con l'industria. Kevin Garello, un ex post-doc del laboratorio di Gambardella, ha prodotto i chip contenenti i contatti del tunnel per gli esperimenti all'ETH e ne ha ottimizzato i materiali. In linea di principio, la tecnologia sarebbe, perciò, essere immediatamente pronto per l'uso in una nuova generazione di MRAM.

Gambardella sottolinea che la memoria MRAM è particolarmente interessante perché, a differenza della SRAM o DRAM convenzionale, non perde informazioni quando il computer è spento; allo stesso tempo, è veloce quanto quelle tecnologie. Però, ammette che il mercato della memoria MRAM attualmente non richiede velocità di scrittura così elevate poiché altri colli di bottiglia tecnici come le perdite di potenza causate da grandi correnti di commutazione limitano i tempi di accesso. Intanto, lui ei suoi collaboratori stanno già pianificando ulteriori miglioramenti; vogliono ridurre le giunzioni del tunnel e utilizzare materiali diversi che utilizzano la corrente in modo più efficiente.