L'elettrone è una delle particelle fondamentali in natura di cui leggiamo a scuola. Il suo comportamento contiene indizi su nuovi modi per archiviare i dati digitali.

In uno studio pubblicato su Nano lettere , i fisici della Michigan Technological University esplorano materiali alternativi per migliorare la capacità e ridurre le dimensioni delle tecnologie di archiviazione dei dati digitali. Ranjit Pati, professore di fisica alla Michigan Tech, ha guidato lo studio e spiega la fisica dietro il nuovo progetto di nanofili del suo team.

"Grazie a una proprietà chiamata spin, gli elettroni si comportano come minuscoli magneti, " Ha detto Pati. "Simile a come la magnetizzazione di un magnete a barra è dipolare, che punta da sud a nord, gli elettroni in un materiale hanno vettori del momento di dipolo magnetico che descrivono la magnetizzazione del materiale".

Quando questi vettori sono in orientamento casuale, il materiale è amagnetico. Quando sono paralleli tra loro, si chiama ferromagnetismo e gli allineamenti antiparalleli sono antiferromagnetismo. L'attuale tecnologia di memorizzazione dei dati si basa su materiali ferromagnetici, dove i dati sono conservati in piccoli domini ferromagnetici. Questo è il motivo per cui un magnete abbastanza forte può rovinare un telefono cellulare o altri dispositivi di archiviazione elettronici.

Sfide per l'archiviazione dei dati

A seconda della direzione della magnetizzazione (se rivolta verso l'alto o verso il basso), i dati sono registrati come bit (un 1 o uno 0) nei domini ferromagnetici. Però, ci sono due strozzature, ed entrambi dipendono dalla prossimità. Primo, avvicinare troppo un magnete esterno, e il suo campo magnetico potrebbe alterare la direzione dei momenti magnetici nel dominio e danneggiare il dispositivo di memorizzazione. E, secondo, i domini hanno ciascuno un proprio campo magnetico, quindi non possono nemmeno essere troppo vicini l'uno all'altro. La sfida con i piccoli, più flessibile, l'elettronica più versatile è che richiedono dispositivi che rendano più difficile mantenere separati i domini ferromagnetici in modo sicuro.

"L'impacchettamento di dati ad altissima densità sarebbe un compito arduo con i domini di memoria ferromagnetica, " Disse Pati. "Materiali antiferromagnetici, d'altra parte, sono liberi da questi problemi."

Di per sé i materiali antiferromagnetici non sono ottimi per i dispositivi elettronici, ma non sono influenzati da campi magnetici esterni. Questa capacità di resistere alla manipolazione magnetica ha iniziato a ricevere maggiore attenzione da parte della comunità di ricerca e il team di Pati ha utilizzato una teoria quantistica predittiva a molti corpi che considera le interazioni elettrone-elettrone. Il team ha scoperto che i nanofili drogati con cromo con un nucleo di germanio e un guscio di silicio possono essere un semiconduttore antiferromagnetico.

Antiferromagnetismo

Diversi gruppi di ricerca hanno recentemente dimostrato la manipolazione di singoli stati magnetici in materiali antiferromagnetici utilizzando corrente elettrica e laser. Hanno osservato la dinamica di spin nella frequenza terahertz, molto più veloce della frequenza utilizzata nei nostri attuali dispositivi di archiviazione dei dati. Questa osservazione ha aperto una pletora di interessi di ricerca nell'antiferromagnetismo e potrebbe portare a risultati più rapidi, memorizzazione dei dati di maggiore capacità.

"Nel nostro recente lavoro, abbiamo sfruttato con successo le caratteristiche intriganti di un antiferromagnete in un basso dimensionale, nanofilo di semiconduttore compatibile con ossido di metallo complementare (CMOS) senza distruggere la proprietà di semiconduttore del nanofilo, " Ha detto Pati. "Questo apre possibilità per un'elettronica più piccola e più intelligente con una maggiore capacità di memorizzazione e manipolazione dei dati".

Pati aggiunge che la parte più eccitante della ricerca per il suo team è stata scoprire il meccanismo che determina l'antiferromagnetismo. Il meccanismo è chiamato superscambio e controlla lo spin degli elettroni e l'allineamento antiparallelo che li rende antiferromagnetici. Nel nanofilo della squadra, gli elettroni di germanio fungono da intermediario, uno scambiatore, tra atomi di cromo non collegati.

"L'interazione tra gli stati magnetici degli atomi di cromo è mediata dagli atomi intermedi a cui sono legati. È un fenomeno magnetico cooperativo, "Pati ha detto. "In modo semplice, diciamo che ci sono due persone A e B:sono distanti e non possono comunicare direttamente. Ma A ha un amico C e B ha un amico D. C e D sono amici intimi. Così, A e B possono interagire indirettamente attraverso C e D."

Una migliore comprensione del modo in cui gli elettroni comunicano tra amici atomici consente a più esperimenti di testare il potenziale di materiali come i nanofili drogati con cromo. Una migliore comprensione della natura antiferromagnetica del materiale dei nanofili di silicio e germanio è ciò che aumenta il potenziale per più intelligente, elettronica di maggiore capacità.