La tecnologia dell’informazione porta gli skyrmioni a fare un giro
La scienza non è mai così entusiasmante come quando un alto potenziale teorico finisce per essere verificato empiricamente. Nel caso degli skyrmioni magnetici, le più piccole configurazioni micromagnetiche stabili conosciute, si è sperato che l’applicazione in nuovi dispositivi spintronici avrebbe portato a notevoli miglioramenti. Ma mancava un passaggio cruciale: gli skyrmioni dovevano ancora essere osservati a temperatura ambiente, stabilizzati, ridotti nelle dimensioni e, soprattutto, dimostrare le funzioni di base richieste per tali dispositivi. Prendiamo un caso d’uso concreto. I moderni hard disk (HDD) possono avere una capacità enorme, ma rimangono molto fragili. Di fatto, se un HDD inizia a cigolare, a vibrare o addirittura a stridere, è probabile che si sia rotto e debba essere sostituito. Questo perché tutti gli HDD, a prescindere da quanto avanzati siano, si basano su processi di tipo meccanico per leggere e scrivere dati. «Sostituire il movimento meccanico del disco con il movimento indotto dalla corrente delle pareti di dominio in una traccia magnetica consentirebbe la realizzazione di dispositivi più piccoli e molto più veloci. È il promettente concetto della memoria “racetrack”», afferma il dott. Vincent Cros, ricercatore senior del CNRS e coordinatore di MAGicSky. «Estendendo questo concetto al movimento indotto dalla corrente di treni di skyrmioni, come abbiamo proposto nel 2013, questi dispositivi presenterebbero ancora maggiori vantaggi in termini di densità delle informazioni, consumo di energia e sensibilità ai difetti». MAGICSky ha compiuto tre scoperte fondamentali sul percorso verso la spintronica basata sugli skyrmioni. Innanzitutto, il team è riuscito a osservare e stabilizzare gli skyrmioni a temperatura ambiente in multistrati magnetici (MML, Magnetic MultiLayers) compatibili con i processi industriali. Successivamente, è stata valutata l’importanza di ottimizzare i parametri magnetici modificando materiali e composizione per migliorare e ottimizzare le caratteristiche degli skyrmioni. «Una sfida importante era capire meglio e quindi migliorare la loro stabilità termica riducendone al contempo le dimensioni. Ora possiamo ottenere skyrmioni ultra-piccoli (meno di 20 nm) e mobili a temperatura ambiente», afferma il dott. Cros. Infine, MAGicSky ha dimostrato le tre funzioni di base necessarie per i dispositivi futuri, come spiega il dott. Cros: «Il team ha dapprima studiato diversi stimoli fisici per valutare come potrebbero essere implementati. Per quanto ne sappiamo, abbiamo dimostrato la prima nucleazione assistita da campo elettrico di skyrmioni e la prima nucleazione deterministica mediante brevi impulsi di corrente. «Abbiamo anche dimostrato che il rilevamento elettrico del singolo skyrmione tramite effetti di magnetoresistenza non collineare (NCMR), un nuovo effetto introdotto sotto MAGicSky, o il cambiamento della resistività di Hall può essere trasferito a dispositivi futuri. In ultimo, abbiamo spostato con successo piccoli skyrmioni a temperatura ambiente usando effetti di trasferimento di spin. Possiamo dimostrare il movimento del flusso di skyrmioni con velocità fino a pochi 10 m/s per densità di corrente dell’ordine di 10^11 A/cm², che rappresenta lo stato dell’arte». Grazie a queste scoperte è possibile prendere in considerazione diversi dispositivi basati su skyrmioni. Questi comprendono memoria racetrack skyrmionica, ma anche dispositivi di logica di rotazione skyrmionici, cristalli magnetici skyrmionici, dispositivi di radiofrequenza su nanoscala e una nuova classe di dispositivi neuromorfici quali le sinapsi skyrmioniche o i neuroni skyrmionici. La loro commercializzazione richiederà sostanziali progressi nei materiali per ridurre le probabilità di pinning e le densità di corrente per il movimento, ma il dott. Cros è ottimista. «Durante i tre anni di ricerca di MAGICSky, diversi tipi di ottimizzazioni ci hanno permesso di aumentare la velocità skyrmionica nella nostra struttura di 100 volte. C’è ancora spazio per miglioramenti, ma siamo fiduciosi che nel prossimo futuro saranno raggiunte proprietà ancora migliori». Il successo di MAGICSky ha ispirato i partner di progetto a perseguire la loro ricerca, mentre le agenzie di finanziamento in Europa e oltre hanno mostrato interesse a contribuire allo sviluppo di questa tecnologia di rottura. Un progetto FET-PROACT H2020 di follow-up, SKYTOP, è iniziato nel novembre 2018.
Parole chiave
MAGICSky, skyrmioni, spintronica
