La microelettronica di prossima generazione sta cambiando: minuscoli vortici magnetici potrebbero trasformare la memoria dei computer ad alte prestazioni
I magneti generano campi invisibili che attraggono determinati materiali. Un esempio comune sono i magneti del frigorifero. Ben più importanti dal punto di vista della vita quotidiana, i magneti possono anche memorizzare i dati nei computer. Sfruttando la direzione del campo magnetico (ad esempio, verso l’alto o verso il basso), i microscopici magneti a barra possono immagazzinare un bit di memoria come zero o uno, il linguaggio dei computer.
Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti vogliono sostituire le barre magnetiche con minuscoli vortici magnetici. Piccolissimi, pari a miliardesimi di metro, questi vortici sono chiamati skyrmions, che si formano in alcuni materiali magnetici. Potrebbero un giorno inaugurare una nuova generazione di microelettronica per l’archiviazione della memoria nei computer ad alte prestazioni.
Microelettronica: nuova generazione per l’archiviazione della memoria
“I magneti a barra nella memoria dei computer sono come lacci di scarpe legati con un unico nodo; non serve quasi nessuna energia per scioglierli”, ha affermato Arthur McCray, uno studente laureato della Northwestern University che lavora nella Divisione di Scienza dei Materiali (MSD) di Argonne. Inoltre, qualsiasi barra magnetica che dovesse funzionare male a causa di un’interruzione si ripercuoterebbe sulle altre.
“Al contrario, gli skyrmioni sono come lacci di scarpe legati con un doppio nodo. Non importa quanto forte si tiri un filo, i lacci rimangono legati”. Gli skyrmioni sono quindi estremamente stabili a qualsiasi perturbazione. Un’altra caratteristica importante è che gli scienziati possono controllare il loro comportamento cambiando la temperatura o applicando una corrente elettrica.
Gli scienziati hanno ancora molto da imparare sul comportamento degli skyrmioni in diverse condizioni. Per studiarli, il team guidato da Argonne ha sviluppato un programma di intelligenza artificiale (AI) che funziona con un microscopio elettronico ad alta potenza presso il Center for Nanoscale Materials (CNM), una struttura utente del DOE Office of Science di Argonne. Il microscopio può visualizzare gli skyrmioni nei campioni a temperature molto basse.
Il materiale magnetico del team è una miscela di ferro, germanio e tellurio. La struttura di questo materiale è simile a quella di una pila di carta con molti fogli. Una pila di questi fogli contiene molti skyrmioni, e un singolo foglio può essere staccato dalla parte superiore e analizzato in strutture come il CNM.
“Il microscopio elettronico del CNM, abbinato a una forma di intelligenza artificiale chiamata machine learning, ci ha permesso di visualizzare i fogli di skyrmioni e il loro comportamento a diverse temperature”, ha dichiarato Yue Li, post-dottorato in MSD.
“La nostra scoperta più interessante è stata che gli skyrmioni sono disposti in uno schema altamente ordinato a meno 60 gradi Fahrenheit e oltre”, ha aggiunto Charudatta Phatak, scienziato dei materiali e leader del gruppo presso l’MSD. Ma quando raffreddiamo il campione, la disposizione degli skyrmioni cambia”. Come le bollicine nella schiuma della birra, alcuni skyrmioni diventano più grandi, altri più piccoli, alcuni si fondono e altri spariscono.
A meno 270, lo strato ha raggiunto uno stato di disordine quasi completo, ma l’ordine è ritornato quando la temperatura è tornata a meno 60. Questa transizione ordine-disordine con la temperatura è stata osservata anche in altri campioni. La transizione ordine/disordine al variare della temperatura potrebbe essere sfruttata nella futura microelettronica per l’archiviazione della memoria.
“Stimiamo che l’efficienza energetica dello skyrmion potrebbe essere da 100 a 1000 volte migliore della memoria attuale nei computer ad alte prestazioni utilizzati per la ricerca”, ha precisato McCray.
L’efficienza energetica è essenziale per la prossima generazione di microelettronica. La microelettronica di oggi assorbe già circa il 10% dell’elettricità mondiale. E questo numero potrebbe raddoppiare entro il 2030. È necessario trovare un’elettronica più efficiente dal punto di vista energetico.
“Abbiamo ancora molta strada da fare prima che gli skyrmions entrino a far parte delle memorie dei computer del futuro a basso consumo”, ha dichiarato Phatak. Tuttavia, questo tipo di nuovo modo radicale di pensare alla microelettronica è fondamentale per i dispositivi di prossima generazione”.
Questa ricerca è stata sostenuta dal DOE Office of Basic Energy Sciences. Il programma di apprendimento automatico del team è stato eseguito su risorse di supercalcolo presso l’Argonne Leadership Computing Facility, una struttura utente del DOE Office of Science.
