Gli hard disk e le RAM a frequenze terahertz sono possibili

Ricercatori dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia statunitense, dell'Università dell'Iowa e dell'Università di Creta hanno usato trucchi quantici per ottenere una commutazione magnetica rapidissima.

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a cura di Manolo De Agostini

Un nuovo modo di cambiare il magnetismo, scoperto da un gruppo di ricercatori dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia statunitense, dell'Università dell'Iowa e dell'Università di Creta apre potenzialmente le porte a memorie e hard disk più veloci, con frequenze di funzionamento nell'ordine dei terahertz.

Lo studio pubblicato su Nature il 4 aprile spiega che è possibile cambiare il magnetismo (commutare) mille volte più rapidamente rispetto alle tecnologie attuali. Il cosiddetto "switching magnetico" è usato per codificare le informazioni negli hard disk, nelle memorie ad accesso casuale e in altri dispositivi di calcolo.

Il fisico Jigang Wang dell'Ames Laboratory e il suo team hanno usato brevi impulsi laser (nell'ordine dei femtosecondi) per provocare cambiamenti ultra-rapidi nelle strutture magnetiche, passando da un ordinamento anti-ferromagnetico a uno ferromagnetico nei materiali magnetoresistivi. Quest'ultimi sono promettenti per l'uso nelle memorie di prossima generazione e nei dispositivi logici.

La struttura magnetica una manganite CMR passa da antiferromagnetica a ferromagnetica con un impulso laser di circa 100 femtosecondi. In un tempo così ridotto e con gli impulsi laser che ancora interagiscono con i momenti magnetici, la commutazione è guidata dalla meccanica dei quanti, non termicamente. Questo apre le porte a frequenze terahertz e velocità di scrittura/lettura migliori.

Gli scienziati dell'Università di Creta, guidati da Ilias E. Perakis, hanno invece sviluppato una teoria per spiegare quanto osservato. "La difficoltà rispetto alla scrittura, lettura, archiviazione e calcolo magnetico è la velocità: abbiamo dimostrato che è possibile rispondere alla tale sfida rendendo pensabili cambiamenti magnetici nell'ordine dei femtosecondi tramite trucchi quantici con impulsi laser ultra-brevi", ha dichiarato Wang, assistente professore di fisica e astronomia all'Università dell'Iowa.

Attualmente nella tecnologia di archiviazione magnetica o registrazione magneto-ottica, si usa un campo magnetico continuo o una luce laser. Per esempio, la foto-eccitazione porta gli atomi nei materiali ferromagnetici a riscaldarsi e vibrare, e la vibrazione con l'aiuto di un campo magnetico, porta a un mutamento - parte del processo di codifica dell'informazione.

"La velocità di questo cambiamento magneto-termico è limitata dal tempo necessario per far vibrare gli atomi e da quanto rapidamente il campo magnetico può invertire le regioni magnetiche", ha dichiarato Wang. "Ed con l'attuale tecnologia di scrittura/lettura è davvero difficile nella commutazione superare il limite di velocità gigahertz". Così alcuni scienziati hanno spostato la propria attenzione sui materiali magnetoresistivi colossali (CMR) perché sono altamente sensibili ai campi magnetici esterni usati per scrivere i dati in memoria, ma non richiedono calore per innescare la commutazione magnetica.

"I materiali contraddistinti da magnetoresistenza colossale sono molto interessanti per un potenziale uso nel settore della tecnologia, ma abbiamo ancora bisogno di capire come funzionano. E, in particolare, dobbiamo capire che cosa succede durante i periodi di tempo molto brevi quando il riscaldamento non è elevato e gli impulsi laser interagiscono ancora con i momenti magnetici nel materiali CMR. Questo significa che dobbiamo descrivere il processo e il controllo del magnetismo usando la meccanica quantistica. Chiamiamo tutto questo femto-magnetismo quantico", ha dichiarato Wang.

Jigang Wang (al centro) e il suo team, Tianqi Li (a sinistra) e Aaron Patz (a destra), specializzato in spettroscopia ultra-rapida, che aiuta gli scienziati a capire i cambiamenti nei materiali in scale di tempo molto ridotte.

Il team di Wang è specializzato in spettroscopia ultra-rapida. In tale disciplina viene usato un impulso breve di luce laser per eccitare un materiale e innescare una misurazione dell'ordine di femtosecondi. "In un materiale manganite CMR, l'ordine magnetico è cambiato nel corso di un impulso laser lungo 100 femtosecondi. Questo significa che la commutazione avviene manipolando meccanicamente lo spin e la carica quantistica", ha affermato Wang.

"Negli esperimenti, il secondo impulso laser ha visto un'enorme magnetizzazione foto-indotta con un'eccitazione del comportamento di soglia che si è sviluppato dopo il primo impulso". La velocità di commutazione e la grande magnetizzazione che Wang ha osservato soddisfano entrambi i requisiti per l'applicazione di materiali CMR nella memoria magnetica a frequenza terahertz ultraveloce e dispositivi logici.

"La nostra strategia è usare metodi quantistici totalmente ottici per offrire commutazione magnetica e controllare il magnetismo. Questo pone le basi per ricercare la massima velocità di commutazione e le capacità di controllo dei materiali CMR, una domanda che sta alla base dell'intero campo dell'elettronica degli spin. La nostra speranza è che questo un giorno ci consenta di creare dispositivi che possano leggere e scrivere informazioni più rapidamente che mai, consumando meno energia", ha concluso Wang.