Avvicinamento al regime Terahertz: i magneti quantistici a temperatura ambiente cambiano stato trilioni di volte al secondo

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Immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione della giunzione antiferromagnetica che mostra strati di materiali diversi (a sinistra). Diagramma che mostra le proprietà magnetiche dei materiali (a destra). CREDITO
©2023 Nakatsuji et al.

Abstract:
Una classe di dispositivi di memoria non volatile, chiamata MRAM, basata su materiali magnetici quantistici, può offrire prestazioni mille volte superiori rispetto agli attuali dispositivi di memoria all'avanguardia. I materiali noti come antiferromagneti avevano precedentemente dimostrato di immagazzinare stati di memoria stabili, ma erano difficili da leggere. Questo nuovo studio apre un modo efficiente per leggere gli stati della memoria, con la possibilità di farlo anche in modo incredibilmente rapido.

Avvicinandosi al regime dei terahertz: i magneti quantistici a temperatura ambiente cambiano stato trilioni di volte al secondo

Tokyo, Giappone | Pubblicato l'20 gennaio 2023

Probabilmente puoi battere le palpebre circa quattro volte al secondo. Si potrebbe dire che questa frequenza di lampeggio è di 4 hertz (cicli al secondo). Immagina di provare a battere le palpebre 1 miliardo di volte al secondo, oa 1 gigahertz, sarebbe fisicamente impossibile per un essere umano. Ma questo è l'attuale ordine di grandezza in cui i dispositivi digitali di fascia alta contemporanei, come la memoria magnetica, cambiano i loro stati mentre vengono eseguite le operazioni. E molte persone desiderano spingere il confine mille volte oltre, nel regime di un trilione di volte al secondo, o terahertz.

L'ostacolo alla realizzazione di dispositivi di memoria più veloci può essere rappresentato dai materiali utilizzati. Gli attuali chip MRAM ad alta velocità, che non sono ancora così comuni da apparire nel tuo computer di casa, fanno uso di tipici materiali magnetici o ferromagnetici. Questi vengono letti utilizzando una tecnica chiamata magnetoresistenza a effetto tunnel. Ciò richiede che i costituenti magnetici del materiale ferromagnetico siano allineati in disposizioni parallele. Tuttavia, questa disposizione crea un forte campo magnetico che limita la velocità alla quale la memoria può essere letta o scritta.

"Abbiamo fatto una svolta sperimentale che supera questo limite, ed è grazie a un diverso tipo di materiale, gli antiferromagneti", ha detto il professor Satoru Nakatsuji del Dipartimento di Fisica dell'Università di Tokyo. “Gli antiferromagneti differiscono dai magneti tipici in molti modi, ma in particolare possiamo disporli in modi diversi dalle linee parallele. Ciò significa che possiamo negare il campo magnetico che risulterebbe da disposizioni parallele. Si pensa che la magnetizzazione dei ferromagneti sia necessaria per il tunneling della magnetoresistenza da leggere dalla memoria. Sorprendentemente, tuttavia, abbiamo scoperto che è possibile anche per una classe speciale di antiferromagneti senza magnetizzazione, e si spera che possa funzionare a velocità molto elevate».

Nakatsuji e il suo team pensano che sia possibile raggiungere velocità di commutazione nell'ordine dei terahertz e che ciò sia possibile anche a temperatura ambiente, mentre i tentativi precedenti richiedevano temperature molto più fredde e non hanno prodotto risultati così promettenti. Tuttavia, per migliorare la sua idea, il team deve perfezionare i suoi dispositivi e migliorare il modo in cui li fabbrica è fondamentale.

"Sebbene i costituenti atomici dei nostri materiali siano abbastanza familiari - manganese, magnesio, stagno, ossigeno e così via - il modo in cui li combiniamo per formare un componente di memoria utilizzabile è nuovo e sconosciuto", ha detto il ricercatore Xianzhe Chen. “Cresciamo cristalli nel vuoto, in strati incredibilmente sottili usando due processi chiamati epitassia del raggio molecolare e magnetron sputtering. Più alto è il vuoto, più puri sono i campioni che possiamo coltivare. È una procedura estremamente impegnativa e se la miglioriamo, semplificheremo la nostra vita e produrremo anche dispositivi più efficaci”.

Questi dispositivi di memoria antiferromagnetici sfruttano un fenomeno quantistico noto come entanglement, o interazione a distanza. Ma nonostante ciò, questa ricerca non è direttamente correlata al campo sempre più famoso del calcolo quantistico. Tuttavia, i ricercatori suggeriscono che sviluppi come questo potrebbero essere utili o addirittura essenziali per costruire un ponte tra l'attuale paradigma dell'informatica elettronica e il campo emergente dei computer quantistici.

finanziamento:
Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal programma JST-Mirai (n. JPMJMI20A1), dal programma ST-CREST (n. JPMJCR18T3, JST-PRESTO e JPMJPR20L7) e JSPS KAKENHI (n. 21H04437 e 22H00290).

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