In futuro dispositivi di archiviazione dati più potenti

In futuro dispositivi di archiviazione dati più potenti

La scoperta può portare a nuovi materiali per la memorizzazione dei dati in dispositivi di prossima generazione. La ricerca, finanziata dall'esercito USA, dimostra, per la prima volta, la chiralità emergente negli skirmioni polari nei superlattici di ossido

La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, (1) finanziata in parte dall'esercito statunitense, ha identificato proprietà in materiali che un giorno potrebbero portare a applicazioni come dispositivi di archiviazione dati più potenti che continuano a contenere informazioni anche dopo che un dispositivo è stato spento.

Un team di ricercatori guidati dalla Cornell University e dall'University of California Berkeley ha fatto una scoperta che apre una miriade di nuove possibilità esplorative di sistemi, materiali e fenomeni fisici.

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta la cosiddetta chiralità in skyrmioni (2) polari in un materiale artificiale squisitamente progettato e sintetizzato con proprietà elettriche reversibili. La chiralità è il processo in cui due oggetti, come un paio di guanti, possono essere immagini speculari l'uno dell'altro ma non possono essere sovrapposti l'uno sull'altro. Gli skyrmioni polari sono trame costituite da cariche elettriche opposte note come dipoli. (3)

Gli scienziati hanno sempre dato per scontato che gli skyrmioni potevano comparire solo in materiali magnetici, dove interazioni speciali tra gli spin magnetici degli elettroni carichi stabilizzano i modelli chirali dei contorti degli skyrmioni. E stata una grande sorpresa per i ricercatori identificare gli skyrmioni in un materiale elettrico.

La combinazione di skyrmioni polari e di queste proprietà elettriche può consentire lo sviluppo di nuovi dispositivi che sono di interesse significativo per l'esercito degli Stati Uniti, specialmente usando la chiralità come parametro manipolabile.

Il dottor Ramamoorthy Ramesh, (4) il co-principale investigatore di questo progetto, spiega: “Ora che sappiamo che gli skyrmion polari/elettrici sono chirali, vogliamo vedere se siamo in grado di manipolarli elettricamente. Le domande sono: se applico un campo elettrico, posso trasformare ognuno come un tornello? Posso spostare ciascuno, uno alla volta, come un correttore su una scacchiera? Se possiamo in qualche modo spostarli, scriverli e cancellarli per i dati di archiviazione, allora quella sarebbe una nuova tecnologia sorprendente.”

“Questa innovativa scoperta può essere utilizzata in futuro per sviluppare strutture di dispositivi che possono essere impiegati per migliorare la logica/memoria, il rilevamento, le comunicazioni e altre applicazioni per l'esercito e l'industria”, ha detto il dottor Pani (Chakrapani) Varanasi, capo della Divisione di Scienza dei Materiali dell'Ufficio di ricerca dell'esercito, un membro del laboratorio di ricerca e del Comando delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

Quando il team ha iniziato lo studio nel 2016, controllò come il calore si muoveva attraverso i materiali. dopodiché i ricercatori hanno fabbricato una speciale struttura cristallina chiamata superlattice da strati alternati di titanato di piombo (un materiale elettricamente polare la cui estremità è caricata positivamente, mentre l'estremità opposta è caricata negativamente) e titanato di stronzio (un materiale isolante che non conduce corrente elettrica).

Con l'obiettivo di esplorare i fenomeni emergenti, gli scienziati hanno esplorato la sintesi di ossidi artificialmente progettati e strutturati. I fenomeni emergenti sono pervasivi in natura: i pesci che nuotano in una vasca, gli uccelli che volano in formazione e il movimento di una folla di persone sono tutti esempi di come le interazioni di oggetti discreti (pesci, uccelli, umani) possono portare a comportamenti collettivi imprevisti. I materiali possono anche esibire un comportamento così emergente, soprattutto se posti sotto vincoli.

Quando gli scienziati hanno effettuato la scansione delle misure al microscopio elettronico a trasmissione del superlattice di piombo titanato/stronzio (progettato per essere titanato artificialmente), hanno visto qualcosa di strano che non aveva nulla a che fare con il calore: erano spuntate su tutto il materiale formazioni simili a bolle. Il titanato di piombo è un materiale ferroelettrico ben noto, mentre il titanato di stronzio non è ferroelettrico a temperatura ambiente. I ferroelettrici sono materiali che hanno una polarizzazione elettrica spontanea che può essere invertita dall'applicazione di un campo elettrico esterno.

Quelle bolle erano skirmioni polari.

Nel corso della microscopia elettronica a trasmissione di scansione sofisticata, presso il Berkeley Lab's Molecular Foundry e presso il Cornell Center for Materials Research, Il dottor David A. Muller (5) della Cornell University ha scattato istantanee atomiche della chiralità degli skirmioni a temperatura ambiente in tempo reale. I ricercatori hanno scoperto che le forze poste sullo strato di titanato di piombo polare dallo strato di titanato di stronzio non polare hanno generato le bolle polari di skirmioni nel titanato di piombo.

Il dottor Ramamoorthy Ramesh spiega: “i materiali sono come le persone. Quando le persone si stressano, rispondono in modi imprevedibili ed è quello che fanno anche i materiali. In questo caso, circondando il titanato di piombo da titanato di stronzio, il titanato di piombo inizia a impazzire - e un modo in cui impazzire è creare trame polari come gli skirmioni invece di essere uniformemente polarizzati.”

Per gli scienziati, grazie a questo lavoro, si è scoperto un fenomeno fondamentalmente nuovo nei superlattici di ossido. Questo modello basato sull'epitassia (6) consentirà in futuro di abbracciare nuovi protocolli di ricerca. Per esempio, gli scienziati potranno iniziare a guardare all'accoppiamento spin-charge nei superlattici, il lavoro su questo progetto è già in corso. I ricercatori hanno anche intenzione di studiare gli effetti dell'applicazione di un campo elettrico sugli skirmioni polari.

Riferimenti:

(1) Observation of room-temperature polar skyrmions

(2) Skyrmione

(3) Dipolo

(4) Ramamoorthy Ramesh

(5) David A. Muller

(6) Epitassia

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Discovery may lead to new materials for next-generation data storage

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