Pietra miliare della memoria magnetica

Gli sviluppi della ricerca nell'ambito della spintronica promettono in futuro la probabile creazione di dispositivi più veloci ed efficienti.

Il controllo elettrico di uno stato magnetico della materia pone le basi per le tecnologie dell'informazione e per la comprensione dei fenomeni spintronici. La coppia spin-orbita fornisce un meccanismo efficiente per la manipolazione elettrica degli ordini magnetici. In particolare, la commutazione della coppia spin-orbita della magnetizzazione perpendicolare in bit ferromagnetici su scala nanometrica ha consentito lo sviluppo di memorie e calcoli stabili, affidabili e a bassa potenza. Allo stesso modo, per la spintronica antiferromagnetica, la commutazione elettrica bidirezionale di un ordine antiferromagnetico in una geometria perpendicolare può avere un impatto enorme, dato il suo potenziale vantaggio per l'integrazione ad alta densità e il funzionamento ultraveloce.

Computer e smartphone hanno diversi tipi di memoria, che variano in velocità ed efficienza energetica a seconda di dove vengono utilizzati nel sistema. In genere, i computer più grandi, in particolare quelli nei data center, utilizzeranno molti dischi rigidi magnetici, che ora sono meno comuni nei sistemi di consumo. La tecnologia magnetica su cui si basano fornisce una capacità molto elevata, ma non ha la velocità della memoria di sistema a stato solido. I dispositivi basati sulla tecnologia spintronica in arrivo potrebbero essere in grado di colmare questa lacuna e migliorare radicalmente anche le prestazioni teoriche dei dispositivi elettronici classici.

Il Professor Satoru Nakatsuji (1) e il Professore associato al progetto Tomoya Higo (2) del Department of Physics dell'University of Tokyo, insieme al loro team, hanno esplorato il mondo della spintronica e altre aree correlate della fisica dello stato solido — in generale, la fisica delle cose che funzionano senza muoversi. Nel corso degli anni, hanno studiato tipi speciali di materiali magnetici, alcuni dei quali hanno proprietà molto insolite. Avrai familiarità con i ferromagneti, poiché questi sono i tipi che esistono in molte applicazioni quotidiane come i dischi rigidi dei computer e i motori elettrici - probabilmente ne hai anche alcuni attaccati al tuo frigorifero. Tuttavia, di maggiore interesse per il team sono i materiali magnetici più oscuri chiamati antiferromagneti.

«Come i ferromagneti, le proprietà magnetiche degli antiferromagneti derivano dal comportamento collettivo delle loro particelle componenti, in particolare dagli spin dei loro elettroni, qualcosa di analogo al momento angolare», ha detto il dottor Nakatsuji. «Entrambi i materiali possono essere utilizzati per codificare le informazioni modificando i gruppi localizzati di particelle costituenti. Tuttavia, gli antiferromagneti hanno un netto vantaggio nell'elevata velocità con cui è possibile apportare queste modifiche agli stati di rotazione di memorizzazione delle informazioni, a costo di una maggiore complessità».

«Alcuni dispositivi di memoria spintronici esistono già. La MRAM (magnetoresistive random access memory) è stata commercializzata e può sostituire la memoria elettronica in alcune situazioni, ma si basa sulla commutazione ferromagnetica», ha affermato il dottor Higo. «Dopo numerosi tentativi ed errori, credo che siamo i primi a segnalare il successo della commutazione degli stati di spin nel materiale antiferromagnetico Mn₃Sn utilizzando lo stesso metodo utilizzato per i ferromagneti nella MRAM, il che significa che abbiamo persuaso la sostanza antiferromagnetica ad agire come un semplice dispositivo di memoria».

Questo metodo di commutazione, descritto su Nature, (3) è chiamato commutazione della coppia di spin-orbit torque (SOT) ed è motivo di entusiasmo nel settore tecnologico. Utilizza una frazione della potenza per modificare lo stato di un bit (1 o 0) in memoria e, sebbene gli esperimenti dei ricercatori abbiano comportato la commutazione del loro campione Mn₃Sn in appena pochi millisecondi (millesimo di secondo). I due docenti sono fiduciosi che la commutazione SOT potrebbe avvenire sulla scala dei picosecondi (trilionesimo di secondo), che sarebbe di ordini di grandezza più veloce della velocità di commutazione degli attuali chip per computer elettronici all'avanguardia.

«Ci siamo riusciti grazie al materiale unico Mn₃Sn», ha affermato il professor Nakatsuji. «Si è rivelato molto più facile lavorare in questo modo rispetto ad altri materiali antiferromagnetici».

«Non esiste un libro di regole su come fabbricare questo materiale. Miriamo a creare un reticolo cristallino puro e piatto di Mn₃Sn da manganese e stagno utilizzando un processo chiamato epitassia a fascio molecolare», ha affermato il professor Higo. «Ci sono molti parametri in questo processo che devono essere messi a punto e stiamo ancora perfezionando il processo per vedere come potrebbe essere ampliato se un giorno diventerà un metodo industriale».

Ricercatori che hanno collaborato alla stesura dell'articolo pubblicato su Nature: Tomoya Higo, Kouta Kondou, Takuya Nomoto, Masanobu Shiga, Shoya Sakamoto, Xianzhe Chen, Daisuke Nishio-Hamane, Ryotaro Arita, Yoshichika Otani, Shinji Miwa e Satoru Nakatsuji.

Finanziamento: questo lavoro è stato parzialmente supportato dal programma JST-MIRAI (JPMJMI20A1), JST-CREST (JPMJCR18T3), JST-PREST (JPMJPR20L7), MEXT/JSPS-KAKENHI (15H05882, 15H05883, 15K21732, 19H00650, 20K21067, 21H04437, 22H00290), e lo Spintronics Research Network of Japan (Spin-RNJ). T.H. riconosce il sostegno del Hattori Hokokai Foundation. S.N. acknowledges con il supporto del CIFAR come Fellow del CIFAR Quantum Materials Research Program. Institute for Quantum Matter, un centro di ricerca sulla frontiera energetica è stato finanziato dal DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences under Award (DE-SC0019331).

L'Università di Tokyo è la principale università del Giappone e una delle migliori università di ricerca del mondo. La vasta produzione di ricerca di circa 6.000 ricercatori è pubblicata nelle migliori riviste mondiali di arti e scienze. Il nostro vivace corpo studentesco di circa 15.000 studenti universitari e 15.000 laureati comprende oltre 4.000 studenti internazionali. (4)

Riferimenti:

(1) Satoru Nakatsuji

(2) Tomoya Higo

(3) Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current

(4) The University of Tokyo

Descrizione foto: (A sinistra) Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione in sezione trasversale del materiale di ricerca su uno strato di tungsteno (W) e ossido di magnesio (MgO). (Destra) Una vista dall'alto del materiale con un'immagine inserita che mostra atomi di manganese in rosso e atomi di stagno in azzurro. - Credit: ©2022 Nakatsuji et al.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Magnetic memory milestone