Immagina di addentare un panino al burro di arachidi e scoprire una fetta di formaggio infilata tra il pane e il burro. In un modo, questo è quello che è successo a un team di fisici dell'Università dell'Arizona, tranne che il "formaggio" era uno strato di ossido di ferro, meno di uno strato atomico di spessore, e il "sandwich" era una giunzione a tunnel magnetico, un minuscolo, struttura a strati di materiali esotici che un giorno potrebbero sostituire gli attuali transistor per computer a base di silicio e rivoluzionare l'informatica. L'ossido di ferro, un materiale correlato a ciò che è comunemente noto come ruggine, mostra proprietà esotiche quando il suo spessore si avvicina a quello dei singoli atomi.

Una squadra guidata da Weigang Wang, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'UArizona, suggeriscono in un nuovo studio che lo strato precedentemente sconosciuto è responsabile di alcuni comportamenti delle giunzioni del tunnel magnetico che hanno lasciato perplessi i fisici per molti anni. La scoperta, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , apre possibilità inaspettate per sviluppare ulteriormente la tecnologia.

A differenza dei microtransistor convenzionali, le giunzioni magnetiche del tunnel non utilizzano la carica elettrica degli elettroni per memorizzare informazioni, ma approfitta di una proprietà quantomeccanica che hanno gli elettroni, che viene chiamato "spin". Conosciuto come spintronica, la tecnologia informatica basata su giunzioni magnetiche a tunnel è ancora molto in fase sperimentale, e le applicazioni sono estremamente limitate. Per esempio, la tecnologia viene utilizzata negli aerei e nelle slot machine per proteggere i dati archiviati da improvvise interruzioni di corrente.

Ciò è possibile perché le giunzioni del tunnel magnetico elaborano e memorizzano le informazioni cambiando l'orientamento dei magneti su nanoscala invece di spostare gli elettroni come fanno i normali transistor.

"Quando inverti la direzione della magnetizzazione, una giunzione a tunnel magnetico si comporta come un transistor in quanto è "acceso" o "spento", " disse Meng Xu, uno studente di dottorato nel laboratorio di Wang e primo autore della carta. "Uno dei suoi vantaggi è che mentre lo tieni in quello stato, non consuma energia per mantenere le informazioni memorizzate."

Sebbene le giunzioni magnetiche a tunnel ad alte prestazioni siano in circolazione da circa 20 anni, gli scienziati sono rimasti perplessi dal fatto che ogni volta che misuravano la differenza tra lo stato "on" e "off", i valori erano molto inferiori a quanto previsto dalle proprietà fisiche di questi interruttori di dimensioni nanometriche, limitare il potenziale delle giunzioni magnetiche del tunnel come elementi costitutivi del calcolo spintronico.

Questo mistero può essere spiegato dal sottile strato di ossido di ferro che Wang e i suoi colleghi hanno scoperto all'interfaccia tra i due strati magnetici nei loro campioni di giunzione del tunnel magnetico:la "fetta di formaggio" nell'analogia del sandwich.

"Pensiamo che questo strato agisca da contaminante, impedendo al nostro campione di ottenere le prestazioni che vogliamo vedere da una giunzione del tunnel magnetico, "Ha detto Wang.

Però, Wang dice che i risultati sono una medaglia a due facce, perché mentre lo strato imprevisto sta riducendo le prospettive per le giunzioni magnetiche del tunnel abbassando la variazione di resistenza nel loro stato "on" e "off", è una buona notizia in quanto apre opportunità inaspettate in un'altra area della spintronica.

Il gruppo di Wang ha scoperto che lo strato si comporta come un cosiddetto antiferromagnete quando hanno testato le giunzioni del tunnel a temperature estremamente fredde inferiori a 400 gradi Fahrenheit negativi, o negativo 245 gradi Celsius.

Gli antiferromagneti sono oggetto di un'intensa ricerca perché possono essere potenzialmente manipolati a frequenze Terahertz, circa 1, 000 volte più veloce di quello esistente, tecnologia a base di silicio, che opera tipicamente nella regione dei Gigahertz. Fino ad ora, però, i ricercatori hanno faticato a trovare modi per manipolare i dispositivi promettenti, un primo passo cruciale nell'applicazione della tecnologia all'archiviazione dei dati.

"In alcuni casi, i ricercatori sono riusciti con successo a controllare i materiali antiferromagnetici in isolamento, "Wang ha detto, "ma non appena provi a incorporare uno strato antiferromagnetico in una giunzione del tunnel magnetico - ed è quello che devi fare per usarli per la spintronica - uccide il tutto."

Tuttavia, lo strato riportato in questo studio no, La squadra di Wang ha trovato. Per la prima volta, ciò potrebbe consentire ai ricercatori di coniugare i vantaggi degli antiferromagneti - velocità di lettura e scrittura senza precedenti - con la controllabilità delle giunzioni del tunnel magnetico, ha detto Wang.

"Con questo studio, abbiamo dimostrato per la prima volta che possiamo modificare la proprietà antiferromagnetica di una giunzione tunnel magnetica usando un campo elettrico, che ci avvicina di un passo all'uso della spintronica antiferromagnetica per l'archiviazione della memoria, "Ha detto Wang.

Ecco perché:mentre l'utilizzo degli spin negli antiferromagneti per elaborare le informazioni aumenta notevolmente la velocità di calcolo, alla fine quell'informazione deve essere riconvertita in una carica elettrica, ha detto Wang.

"Qualsiasi informazione che codifichiamo in rotazione, non importa se antiferromagnetico o magnetico, alla fine vogliamo leggerlo come un segnale elettrico perché l'elettrone è davvero la cosa migliore che abbiamo e il mezzo più popolare da elaborare, leggere e scrivere informazioni, " ha detto. "Quella conversione è normalmente fatta da giunzioni di tunnel magnetici".

Incorporare strati antiferromagnetici nelle giunzioni del tunnel magnetico potrebbe un giorno consentire agli ingegneri di progettare computer in cui l'elaborazione delle informazioni avviene nello stesso luogo in cui vengono archiviate le informazioni, simile al cervello umano.

I dispositivi Spintronic offrono un altro vantaggio rispetto ai transistor convenzionali, secondo Wang:Non richiedono energia solo per mantenere le informazioni immagazzinate nella memoria.

"Con la spintronica, hai bisogno del campo elettrico solo per scrivere le informazioni, ma una volta fatto, puoi spegnerlo per ridurre il consumo di energia, " Egli ha detto.

I transistor a base di silicio invece, soffrono di un effetto noto come dispersione di elettroni, ha detto Wang. Poiché i produttori stanno stipando sempre più transistor in aree più piccole di microprocessori, sempre più elettroni vengono persi, richiedendo al dispositivo di eseguire un lavoro extra e consumare energia extra solo per contrastare questo processo.

La dispersione di elettroni è uno dei motivi per cui si prevede che la legge di Moore, che afferma che il numero di transistor su un chip raddoppia ogni due anni, finirà presto. ha detto Wang.

Con dispositivi spintronici, la perdita non è un problema; possono memorizzare le informazioni virtualmente all'infinito senza consumare energia.

"It's the same reason your fridge magnets can stay in place for a really long time, " he said. "Once the quantum mechanical exchange interaction has been made, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."