Un nuovo materiale scoperto a Stanford può dare vita a memorie magnetiche più efficienti

Un team di ricercatori della Stanford University, guidati dal professor Shan Wang, hanno scoperto un materiale che potrebbe permettere di creare un nuovo tipo di memoria utile a soddisfare le crescenti necessità del settore informatico.

Ne parlano in uno studio pubblicato su Nature Materials, in cui dimostrano come un sottile strato di una lega metallica chiamata "manganese palladio tre" (MnPd3) presenta le proprietà necessarie per dare vita a una memoria capace di immagazzinare i dati nelle direzioni di spin degli elettroni.

Questo metodo di archiviazione in memoria, noto con il nome "spin orbit torque magnetoresistive random access memory" o più in breve SOT-MRAM, avrebbe il potenziale per archiviare i dati in modo più veloce ed efficiente rispetto alle soluzioni attuali in cui le informazioni sono salvate usando la carica elettrica ed è necessario avere un'alimentazione continua per non perdere i dati.

"Forniamo un elemento costitutivo di base per i futuri elementi di stoccaggio ad alta efficienza energetica", ha affermato il professore Wang. "Si tratta davvero di qualcosa di base, ma rappresenta una svolta".

"Secondo me, siamo già passati dall'era di Internet all'era dell'IA", ha aggiunto Wang. "Vogliamo consentire l'IA sui dispositivi - l'addestramento locale sul tuo computer di casa, telefono o smartwatch - per cose come il rilevamento di attacchi di cuore o il riconoscimento vocale. Per farlo, abbiamo bisogno di una memoria molto veloce e non volatile".

La SOT-MRAM si basa su una proprietà intrinseca degli elettroni chiamata spin. Per capire lo spin pensate a un elettrone come una palla da basket che ruota in modo bilanciato sulla punta del dito di un giocatore. Poiché gli elettroni sono particelle caricate, la rotazione trasforma l'elettrone in un minuscolo magnete, polarizzato lungo i suoi assi (in questo caso, una linea che si estende dal dito bilanciando la palla).

Se l'elettrone cambia le direzioni di spin, così fanno anche i poli nord-sud del magnete. I ricercatori possono usare la direzione verso l'alto e il basso (up/down) di quel magnetismo - nota come momento di dipolo magnetico - per rappresentare gli 1 e 0 che compongono i bit/byte di informazione.

Nella SOT-MRAM, una corrente che fluisce attraverso un materiale, lo strato SOT, genera direzioni di spin specifiche. Il movimento di quegli elettroni, insieme alle loro direzioni di spin, crea una coppia che può cambiare le direzioni di spin e i momenti di dipolo magnetico associati degli elettroni in un materiale magnetico adiacente.

Con i giusti materiali, l'archiviazione magnetica dei dati è semplice come cambiare la direzione di una corrente elettrica nello strato SOT. Trovare i materiali SOT adeguati però non è semplice. A causa del modo in cui è progettato l'hardware, i dati possono essere archiviati in modo più denso quando le direzioni di spin degli elettroni sono orientate verso l'alto o verso il basso nella direzione z.

Purtroppo, la maggior parte dei materiali polarizza gli spin degli elettroni nella direzione y se la corrente scorre nella direzione x. "I materiali convenzionali generano spin solo nella direzione y, il che significa che avremmo bisogno di un campo magnetico esterno per far sì che il passaggio avvenga nella direzione z, il che richiede più energia e spazio", ha dichiarato Fen Xue, ricercatore di post-dottorato nel laboratorio di Wang. "Allo scopo di abbassare l'energia e avere una maggiore densità di memoria, vogliamo essere in grado di realizzare questa commutazione senza un campo magnetico esterno".

I ricercatori hanno scoperto che il "manganese palladio tre" ha le proprietà di cui hanno bisogno. Il materiale è in grado di generare spin in qualsiasi orientamento perché la sua struttura interna manca del tipo di simmetria cristallina che forzerebbe tutti gli elettroni in un particolare orientamento.

Usandolo, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare la commutazione della magnetizzazione in entrambe le direzioni y e z senza bisogno di un campo magnetico esterno. Inoltre, anche la magnetizzazione in direzione x può essere commutata in assenza di campo magnetico esterno.

"Abbiamo la stessa corrente di ingresso di altri materiali convenzionali, ma ora abbiamo tre diverse direzioni di spin", ha aggiunto Mahendra DC, primo autore dell'articolo. "A seconda dell'applicazione, possiamo controllare la magnetizzazione in qualsiasi direzione desideriamo".

Il manganese palladio tre ha anche altre proprietà che lo rendono ideale per applicazioni SOT-MRAM. Può, ad esempio, sopravvivere e mantenere le sue proprietà dopo il processo di post-ricottura che l'elettronica deve affrontare. "La post-ricottura richiede che l'elettronica stia a 400 gradi Celsius per 30 minuti. Questa è una delle sfide per i nuovi materiali in questi dispositivi, e il manganese palladio tre può farcela".

Inoltre, lo strato di manganese palladio tre viene creato tramite un processo chiamato "magnetron sputtering", una tecnica già usata in altri aspetti dell'archiviazione su memoria. "Non sono necessari nuovi strumenti o nuove tecniche per questo tipo di materiale", ha spiegato Fen Xue. "Non abbiamo bisogno di un substrato strutturato o di condizioni speciali per depositarlo".

Il risultato è un materiale che non solo ha nuove proprietà che potrebbero aiutare a soddisfare i nostri crescenti requisiti informatici, ma può adattarsi perfettamente alle attuali tecniche di produzione. I ricercatori stanno già lavorando su prototipi per l'integrazione in dispositivi reali.