Una ricerca d’avanguardia apre la strada a dispositivi MRAM di nuova generazione
I dischi rigidi dei computer, i dischi ottici, le memorie flash e altri dispositivi sono memorie non volatili, ovvero in grado di mantenere i dati memorizzati anche dopo l’interruzione dell’alimentazione. Tuttavia, sono lenti (soprattutto per la scrittura) e presentano limiti di scala. La memoria ad accesso casuale magnetoresistiva (MRAM) è un tipo di memoria non volatile che utilizza gli stati magnetici anziché le cariche elettriche per memorizzare i bit. La tecnologia dimostra ottime potenzialità ai fini della creazione di una memoria universale, caratterizzata da capacità di scrittura istantanea, resistenza illimitata e conservazione dei dati.
La coppia spin-orbita migliora i dispositivi MRAM
La prossima generazione di MRAM si baserà su nuovi meccanismi spintronici, che promettono operazioni ancora più veloci e consumi ridotti. Finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto GRISOTO ha esaminato il modo in cui le eterostrutture costruite con materiali 2D (grafene) e gli isolanti topologici potrebbero contribuire a indurre la coppia spin-orbita nei ferromagneti. Regina Galcerán, ricercatrice principale del progetto spiega: «Il nostro obiettivo è controllare la magnetizzazione di un ferromagnete, che determina l’accensione o lo spegnimento di un dispositivo di memoria, attraverso il flusso di una piccola corrente elettrica. Ciò si ottiene utilizzando uno strato contiguo costituito da un materiale con un forte accoppiamento spin-orbita». Quando un elettrone con un momento di disallineamento passa nel ferromagnete, il disadattamento (disallineamento) dà origine a una piccola forza di torsione, ossia una coppia. Una corrente elevata può generare una coppia abbastanza grande da cambiare la direzione di magnetizzazione del ferromagnete. I dispositivi MRAM di nuova generazione sfruttano la capacità di controllare la commutazione della magnetizzazione (allineamento dello spin da parallelo ad antiparallelo) mediante queste coppie di trasferimento di spin. Tra i materiali promettenti in grado di produrre grandi coppie orbitali di spin vi sono i dicalcogenuri dei metalli di transizione e gli isolanti topologici, ma la diffusione delle leghe all’interfaccia con il ferromagnete ne limita le prestazioni.
Il grafene come piattaforma promettente per i fenomeni basati sugli spin
Per affrontare questa sfida, nell’ambito del progetto GRISOTO sono stati esaminati i vantaggi derivanti dall’introduzione di uno strato di grafene tra il ferromagnete e il materiale con un grande accoppiamento spin-orbita. Grazie al suo piccolo accoppiamento spin-orbita, il grafene contribuisce a preservare a lungo la coerenza di spin degli elettroni. Stando alle previsioni, la combinazione di entrambi i materiali può dare origine a fenomeni di spin-orbita indotti dalla prossimità, che possono essere utilizzati per il controllo della corrente di spin. «La crescita diretta del grafene nei substrati attraverso la deposizione in fase di vapore di elementi chimici (CVD) presuppone l’ottimizzazione di ciascun substrato. Nel nostro studio, abbiamo semplificato il processo trasferendo il grafene cresciuto per CVD sopra la pellicola di isolante topologico», osserva Galcerán. «Abbiamo scoperto che il grafene protegge la superficie sottostante dell’isolante topologico dall’ossidazione. Inoltre, impedisce l’intermiscelazione degli atomi alle interfacce ferromagnete-isolante topologico, che sopprime le coppie di spin-orbita.»
Quanto può giovare alla società la tecnologia MRAM
«È fondamentale trovare un modo affidabile di commutare l’orientamento degli spin nei ferromagneti per produrre dispositivi di memorizzazione dei dati e, in ultima analisi, circuiti logici. Le applicazioni dell’Internet delle cose e le città intelligenti combinano più tecnologie, analisi in tempo reale, apprendimento automatico e sistemi integrati. Un’interruzione delle prestazioni potrebbe avere conseguenze catastrofiche, come nel caso dei veicoli autonomi», spiega Galcerán. «In questi casi, i circuiti logici potrebbero trarre vantaggio dall’elevata resistenza, dalla velocità di scrittura e dalla protezione contro i guasti dell’alimentazione delle MRAM a coppia di spin-orbita.» Le MRAM a coppia di spin-orbita integrate nei microprocessori rappresenterebbero una svolta per l’informatica: infatti, non solo offrirebbero la possibilità di ammodernare architetture di processori consolidati con memorie non volatili, ma anche di ripensare la progettazione dei core dei processori a livello di sistema.
Parole chiave
GRISOTO, grafene, ferromagnete, MRAM, coppia spin-orbita, isolante topologico, memoria ad accesso casuale magnetoresistiva