L'attuale tecnologia informatica basata sul silicio è inefficiente dal punto di vista energetico. Si prevede che le tecnologie dell'informazione e delle comunicazioni utilizzeranno oltre il 20% della produzione globale di elettricità entro il 2030. Pertanto, trovare modi per decarbonizzare la tecnologia è un obiettivo ovvio per il risparmio energetico. Professor Paolo Radaelli del Dipartimento di Fisica di Oxford, lavorando con Diamond Light Source, il sincrotrone nazionale del Regno Unito, ha condotto ricerche su alternative più efficienti al silicio. Le sorprendenti scoperte del suo gruppo sono pubblicate in Natura in un articolo intitolato "Semirmioni e bimeroni antiferromagnetici a temperatura ambiente". Alcune delle strutture antiferromagnetiche che hanno trovato potrebbero emergere come candidati principali per la spintronica antiferromagnetica a bassa energia a temperatura ambiente.

I ricercatori stanno lavorando da molto tempo su tecnologie alternative al silicio. Gli ossidi di metalli comuni come ferro e rame sono bersagli naturali perché sono già un punto fermo della tecnologia, presente nei computer a base di silicio, il che significa che c'è un'alta possibilità di compatibilità tra le due tecnologie. Sebbene gli ossidi siano ottimi per immagazzinare informazioni, non sono bravi a spostare le informazioni, una necessità per il calcolo. Però, una proprietà degli ossidi che è emersa è che molti sono magnetici, il che significa che potrebbe essere possibile spostare i bit magnetici in giro, sia negli ossidi che in altri magneti, con pochissima energia richiesta.

Il professor Radaelli dice, "I tipi di bit di cui stiamo parlando devono essere davvero minuscoli - 10 nanometri è la tipica cifra bersaglio - e devono essere robusti anche quando "agitati e mescolati". Questo è molto impegnativo, perché il rischio che vengano semplicemente dissipati è molto alto quando il bit è così piccolo. Una possibile soluzione proveniva dalla direzione più improbabile:un curioso parallelo tra la fisica dello stato solido e la cosmologia. Infatti, l'ispirazione per questo progetto è stata posta sotto forma di una sfida:possiamo replicare le stringhe cosmiche in un magnete?"

Essenziale per ottenere risposte è stato l'uso da parte dei team della linea di luce Nanoscience di Diamond e del microscopio elettronico a emissione di foto (PEEM). Combina un'elevata risoluzione spaziale con un'elevata densità di flusso per risolvere nanostrutture su scale di lunghezza nanometrica. Attraverso il PEEM, la linea di luce Nanoscience può risolvere nanoparticelle con diametri inferiori a 20 nm utilizzando raggi X molli polarizzati.

Le stringhe cosmiche dovrebbero essere filamenti nello spazio, molto più sottile di un atomo ma potenzialmente lungo quanto la distanza tra le stelle. Alcune teorie cosmologiche prevedono che potrebbero essersi formati nei momenti successivi al Big Bang mentre l'universo si stava rapidamente raffreddando. Sebbene i ricercatori dibattano ancora sulla loro esistenza, una teoria suggerisce che una volta formato, le stringhe cosmiche sarebbero stabili e non "evaporano, " così gli astronomi potrebbero scoprirle in futuro. L'importanza delle stringhe cosmiche e dei computer è che la descrizione matematica delle stringhe cosmiche è abbastanza semplice. Lo stesso tipo di condizioni matematiche che favoriscono la formazione delle stringhe si può trovare in molti altri sistemi fisici, compresi i magneti.

Il professor Radaelli dice, "È la bellezza della fisica:le equazioni matematiche che descrivono il 'macrocosmo' su scale parsec possono funzionare anche nel microcosmo su scale nanometriche. Con la sfida impostata, non restava che trovare un magnete adatto. Di nuovo, il candidato si è rivelato molto improbabile:ruggine comune."

Ossido di ferro (formula chimica Fe ₂ oh ₃ ) è un costituente principale della ruggine. Ogni atomo di ferro funge da minuscola bussola, ma questa particolare forma di Fe ₂ oh ₃ non è magnetico nel senso ordinario di attrarre ed essere attratto da altri magneti:è un antiferromagnete, così che metà dei compassi Fe puntano a nord e l'altra metà a sud.

Due anni fa, lavorando a Diamond su campioni prodotti presso l'Università del Wisconsin, madison, Il gruppo di Oxford di Radaelli ha scoperto l'equivalente magnetico delle stringhe cosmiche in Fe ₂ oh ₃ , e li ha ripresi utilizzando un potente microscopio a raggi X. Questi piccoli oggetti, conosciuti come meroni, sono vortici magnetici in cui l'ago della bussola ruota (NESW o NWSE) mentre ci si sposta da un atomo all'altro in un ciclo su scala nanometrica.

"Con il senno di poi, trovare meroni magnetici è stato un enorme colpo di fortuna, poiché sappiamo che sono molto difficili da stabilizzare nelle condizioni utilizzate per quel primo esperimento. Per il documento pubblicato oggi, abbiamo esteso la nostra collaborazione alla National University of Singapore e siamo riusciti a trovare la chiave per creare e distruggere i meroni magnetici a piacimento, sfruttando l'equivalente matematico del "raffreddamento Big Bang, '", aggiunge Radaelli.

Il team pensa che ci siano buone prospettive per l'utilizzo della "ruggine" per creare computer super efficienti. Questo perché sebbene molto semplice in architettura, il Fe ₂ oh ₃ Il dispositivo basato su dove sono stati trovati meroni e bimeroni contiene già tutti gli ingredienti per manipolare questi piccoli pezzi in modo rapido ed efficiente, facendo fluire una minuscola corrente elettrica in un "soprabito" metallico estremamente sottile". secondo la squadra controllare e osservare il movimento di meroni e bimeroni in tempo reale è l'obiettivo di un futuro esperimento di microscopia a raggi X attualmente in fase di progettazione.

Passare dalla ricerca di base a quella applicata significa che le considerazioni sui costi e sulla compatibilità sono di fondamentale importanza. Mentre l'ossido di ferro è estremamente abbondante ed economico, le tecniche di fabbricazione impiegate dai ricercatori di Singapore e Madison sono complesse e richiedono un controllo su scala atomica. Però, i ricercatori sono ottimisti, come hanno recentemente dimostrato che è possibile staccare un sottile strato di ossido dal suo mezzo di crescita e attaccarlo quasi ovunque, lasciando le sue proprietà in gran parte inalterate. Dicono che i loro prossimi passi saranno la progettazione e la fabbricazione di dispositivi basati su stringhe cosmiche.