Nell’ambito di una collaborazione, i ricercatori hanno scoperto una sorprendente proprietà magnetica di un materiale esotico. Essa consente ai computer di utilizzare meno di un milionesimo dell’energia necessaria per commutare un singolo bit.
Il mondo della scienza dei materiali scopre e produce costantemente materiali con proprietà esotiche. Tra questi ci sono i multiferroici. Si tratta di una classe unica di materiali che possono essere sia magnetizzati che polarizzati, ovvero sensibili sia ai campi magnetici che a quelli elettrici.
Poiché presentano entrambe le proprietà, i multiferroici sono diventati molto interessanti per scopi commerciali e di ricerca, con applicazioni potenziali che vanno dall’elettronica avanzata all’archiviazione di memorie di nuova generazione. Comprendendo e sfruttando le proprietà dei multiferroici, i ricercatori mirano a sviluppare tecnologie più efficienti, più compatte e anche più efficienti dal punto di vista energetico.
Ora, nell’ambito di una collaborazione di ricerca internazionale, sono state rivelate alcune affascinanti proprietà del tellururo di germanio multiferroico drogato con manganese (GeTe drogato con Mn). Il termine "drogato" significa che una piccola quantità di atomi di manganese (Mn) è stata introdotta nella struttura cristallina del tellururo di germanio (GeTe) per modificarne le proprietà. Questo lavoro è promettente per il futuro dell’informatica ad alta efficienza energetica e fornisce anche una migliore comprensione del comportamento collettivo dei materiali multiferroici.
Il progetto è stato guidato dai professori Hugo Dil dell’EPFL, Gunther Springholz dell’Università Johannes Kepler di Linz e Jan Minár dell’Università della Boemia occidentale.
Il GeTe drogato con Mn è noto per le sue proprietà ferroelettriche e magnetiche uniche. Ma il nuovo studio ha rivelato che ha anche un ordine magnetico diverso dai tipici ferro-magneti, come il ferro, che si allineano con un campo magnetico. Gli scienziati hanno invece scoperto che il GeTe drogato con Mn presenta le caratteristiche di un ferro-magnete.
Si è rivelato importante perché ha permesso agli scienziati di sviluppare un metodo per migliorare l’efficienza della commutazione della direzione di magnetizzazione di ben sei ordini di grandezza. Invece di usare il metodo tradizionale di applicare un grande impulso di corrente al GeTe drogato con Mn, hanno usato una piccola corrente elettrica (CA) continuamente fluttuante, seguita da un piccolo impulso di corrente al momento giusto - un po’ come spingere un’altalena al momento giusto per farla salire con meno sforzo. I ricercatori chiamano questo fenomeno "risonanza stocastica".
Questo piccolo impulso ha causato un cambiamento che si è diffuso rapidamente attraverso il GeTe drogato con Mn, come un’onda in uno stagno. Questo perché il materiale si comporta sia come un solido che come un liquido, essenzialmente come il vetro; la modifica di una parte provoca una reazione a catena che modifica le altre.
In termini più tecnici, l’interruttore magnetico si è propagato rapidamente attraverso il GeTe drogato con Mn grazie alle eccitazioni collettive. Si tratta di movimenti collettivi coordinati di un gran numero di spin di elettroni nel materiale. "Questo è possibile perché il sistema forma un vetro di spin correlati, in cui i momenti magnetici locali sono in uno stato vetroso, come gli atomi di una vecchia finestra", spiega Hugo Dil. "Se uno spin è costretto a cambiare orientamento, questa informazione si propaga come un’onda attraverso il campione e fa cambiare gli altri momenti magnetici".
E aggiunge: "Per le applicazioni tecnologiche, questo aumento dell’efficienza di commutazione è ovviamente molto interessante. A lungo termine, potrebbe consentire di avere computer che utilizzano meno di un milionesimo dell’energia attualmente necessaria per commutare un bit. Ma, come fisico, ciò che mi incuriosisce davvero è il comportamento collettivo. Stiamo pianificando esperimenti con risoluzione spaziale e temporale per seguire la propagazione di queste eccitazioni e determinare come controllarle".
Riferimenti
Juraj Krempaskíoe, Gunther Springholz, Sunil Wilfred D-Souza, Ond?ej Caha, Martin Gmitra, Andreas Ney, C. A. F. Vaz, Cinthia Piamonteze, Mauro Fanciulli, Dominik Kriegner, Jonas A. Krieger, Thomas Prokscha, Zaher Salman, Jan Minár, J. Hugo Dil. Efficiente commutazione magnetica in un vetro di spin correlato. Nat. Comm. 14, 6127 (2023). DOI: 10.1038/s41467’023 -41718-4
