Scrittura magnetica veloce dei dati

Nastri magnetici e dischi rigidi vengono utilizzati nei computer per l'archiviazione dei dati da quasi settant'anni. Nonostante le numerose nuove tecnologie sviluppate nel frattempo, la magnetizzazione controllata di un supporto dati rimane il metodo di scelta per l'archiviazione delle informazioni grazie alla sua stabilità a lungo termine e al suo basso costo. Tuttavia, la tecnologia magnetica è stata finora considerata inadatta per la realizzazione di memorie ad accesso casuale (RAM), utilizzate dai computer come memoria di lavoro per l'elaborazione dei dati. Ciò è dovuto principalmente alla sua bassa velocità di scrittura e al consumo energetico relativamente elevato.

Pietro Gambardella, professore presso il Dipartimento di Scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH di Zurigo, e i suoi collaboratori, insieme a quelli del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) di Villigen, hanno ora dimostrato che l'immagazzinamento magnetico può ancora essere fulmineo e a risparmio energetico con l'aiuto di un nuovo processo.

Inversione di magnetizzazione senza bobine

Nelle tecnologie di memorizzazione magnetica tradizionali, vengono utilizzati supporti dati su nastro o disco rivestiti con una lega di cobalto. Una bobina che trasporta corrente viene utilizzata per generare un campo magnetico che cambia la direzione della magnetizzazione in una piccola area del supporto dati. Il processo è molto lento rispetto alle velocità dei moderni processori e l'energia viene persa anche a causa della resistenza elettrica delle bobine. Sarebbe quindi molto meglio cambiare la direzione della magnetizzazione senza le deviazioni di Chi siamo, attraverso una bobina magnetica.

Già nel 2011, Gambardella e i suoi colleghi hanno dimostrato un metodo che faceva esattamente questo: una corrente elettrica che scorreva attraverso una pellicola di semiconduttore appositamente rivestita invertiva la magnetizzazione in un minuscolo punto metallico. Ciò è reso possibile da un effetto fisico noto come coppia spin-orbita. Il flusso di corrente elettrica in un conduttore porta a un accumulo di elettroni con momenti magnetici opposti (spin) alle due estremità del conduttore. Gli spin degli elettroni creano a loro volta un campo magnetico che porta all'allineamento dei momenti magnetici degli atomi di un materiale magnetico nelle immediate vicinanze. In un nuovo studio, gli scienziati hanno analizzato in dettaglio il funzionamento e la velocità di questo processo. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology.

Risoluzione spaziale con i raggi X

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno invertito la magnetizzazione di un punto di cobalto di appena 500 nanometri di diametro utilizzando impulsi di corrente elettrica che scorrevano attraverso un filo di platino adiacente. Allo stesso tempo, hanno esposto il punto di cobalto a raggi X altamente focalizzati generati presso la Sorgente svizzera di luce di sincrotrone del PSI, che hanno scansionato gradualmente il punto con una risoluzione spaziale di 25 nanometri. La forza con cui il punto assorbiva i raggi X in un determinato punto dipendeva dalla direzione in cui il metallo era magnetizzato in quel punto.

"In questo modo abbiamo ottenuto un'immagine bidimensionale della magnetizzazione del punto di cobalto e siamo riusciti a vedere come l'impulso di corrente la modifica gradualmente", spiega Manuel Baumgartner, primo autore dello studio e dottorando del gruppo di ricerca di Gambardella.

I ricercatori sono riusciti a determinare che l'inversione della magnetizzazione avviene in meno di un nanosecondo, molto più velocemente rispetto ad altri metodi studiati di recente. "Possiamo anche prevedere quando e dove inizia e dove finisce l'inversione della magnetizzazione in base ai parametri dell'esperimento", aggiunge Gambardella. In altri metodi, l'inversione è anche guidata dalla corrente elettrica, ma è innescata da fluttuazioni termiche nel materiale, il che significa che la tempistica dell'inversione è soggetta a forti fluttuazioni.

Possibili applicazioni in RAM

I ricercatori hanno inviato fino a mille miliardi di impulsi di inversione attraverso il punto di cobalto a una frequenza di 20 megahertz senza compromettere la qualità dell'inversione di magnetizzazione. "Questo ci fa sperare che la nostra tecnologia sia adatta ad applicazioni nelle RAM magnetiche", afferma Kevin Garello, post-dottorando di Gambardella e primo autore dello studio. Garello sta ora lavorando all'implementazione commerciale del processo presso il centro di ricerca Imec di Leuven, in Belgio.

Come primo passo in questa direzione, i ricercatori vogliono ottimizzare i loro materiali in modo che l'inversione funzioni ancora più velocemente e con correnti più basse. Tra le altre cose, questo obiettivo deve essere raggiunto migliorando la forma dei punti di cobalto. Al momento sono rotondi, ma altre forme come ellissi o diamanti potrebbero rendere l'inversione della magnetizzazione ancora più efficiente, come dicono gli scienziati. Tra l'altro, la RAM magnetica renderebbe superfluo il caricamento del sistema operativo all'avvio di un computer: i programmi corrispondenti rimarrebbero nella memoria di lavoro anche in assenza di alimentazione.