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Vortici magnetici per realizzare memorie a quattro bit

La creazione di vortici in scala nanometrica potrebbe consentire di realizzare una memoria magnetica di gran lunga migliore rispetto a oggi. Peter Fischer del Dipartimento di Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ritiene che lavorare su memorie sempre migliori sia un imperativo.

"Nel 2009 abbiamo consumato il 15% dell'energia elettrica casalinga per ricaricare dispositivi e ne stiamo acquistando sempre di più. Ciò su cui stiamo lavorando ora potrebbe rendere questi dispositivi centinaia di volte più veloci e altrettanto più efficienti", ha affermato Fischer. Insieme ai ricercatori della Brno University of Technology e a quelli della University of California, lo staff dei Berkeley Lab ha usato le capacità uniche di un macchinario a raggi X chiamato beamline 6.1.2 per sviluppare un nuovo concetto di memoria magnetica.

Rappresentazione del vortice magnetico

Le memorie magnetiche archiviano i bit in un unità distinte, nelle quali gli spin degli elettroni sono tutti allineati in parallelo, puntano verso una direzione o quella opposta per indicare un uno o uno zero. Quello che propongono Fischer e i suoi colleghi è un'archiviazione "multi-bit", nella quale ogni unità ha quattro stati anziché due, in modo da poter archiviare, di conseguenza, il doppio dell'informazione.

La chiave, secondo loro, è nei "vortici magnetici", confinati all'interno di piccoli dischi metallici di alcuni nanometri di diametro. "Gli spin dell'elettrone richiedono la minore energia possibile; gli spin che puntano in direzioni opposte, non parallele, costano energia. Così gli elettroni allineano tutti i loro spin in cerchio, in senso orario o anti-orario attorno al disco", si legge in una nota.

Nel nucleo di un vortice, però, dove i cerchi sono sempre più piccoli e gli spin limitrofi si allineerebbero sempre più in modo antiparallelo, gli spin tendono a divergere dal piano, puntando sia sopra che sotto. "Perciò ogni disco ha quattro bit anziché due – la circolarità è a destra o sinistra e la polarità è sopra e sotto il nucleo – ma dovete essere in grado di controllare l'orientamento di ognuno in modo indipendente", ha affermato Fischer.

Applicando un campo magnetico esterno, sia forte che stabile, è possibile invertire la polarità del nucleo, ma i dispositivi reali non possono tollerare forti campi magnetici e hanno bisogno di commutare più rapidamente. Precedenti ricerche hanno dimostrato che con deboli campi magnetici oscillanti sul piano del disco nanometrico è possibile spostare rapidamente il nucleo fuori dalla posizione centrale e ottenere lo stesso risultato.

ASL Beamline 6.1.2

"Anziché applicare un campo statico, lo contorcete", ha affermato il professor Fischer. Con il nucleo spinto distante dal centro del disco, le successive onde magnetiche cambiano non solo l'orientamento dello spin, ma fanno ruotare il nucleo sempre più rapidamente fino a quando la sua polarità cambia nella direzione opposta. Il ruolo del beamline 6.1.2 è stato quello di dimostrare, per la prima volta, che metodi simili possono controllare la circolarità dei vortici magnetici.

La strumentazione ha anche permesso di capire che il controllo della circolarità del vortice dipende dalla geometria del disco. Ad esempio spessore e diametro rappresentano importanti fattori: più piccolo è il disco, meglio è. Dischi spessi 30 nanometri o centinaia di nanometri hanno dimostrato di essere inadatti, richiedendo più di tre nanosecondi per invertire la circolarità. Dischi spessi 20 nanometri e di 100 nanometri di diametro potrebbero invece cambiare l'orientamento in meno di mezzo nanosecondo.

Per arrivare a creare memoria multi-bit con quattro valori passerà però molto tempo. Bisogna infatti controllare la polarità e la circolarità, e finora non è stato possibile farlo nello stesso momento, anche se sono in corso esperimenti mirati. "Questa è la base scientifica per possibili applicazioni future. Stiamo già lavorando su modi per controllare lo spin con temperatura e tensione, a come disaccoppiare completamente lo spin dalle correnti e persino a modi per accoppiare catene di nanodischi insieme per creare dispositivi logici – non solo per memorizzare, ma anche per eseguire calcoli".