Proprietà magnetiche di nuovi materiali nanoporosi per l’immagazzinamento dei dati

I dispositivi elettronici che conservano informazioni per mezzo della magnetizzazione usano la commutazione magnetica, normalmente permessa da campi magnetici localizzati (generati per induzione elettromagnetica) o da correnti elettriche con spin polarizzato (coppia di trasferimento dello spin). Entrambi i sistemi però richiedono correnti elettriche relativamente alte che riscaldano i materiali, risultando in una significativa perdita di energia attraverso la dissipazione del calore – il cosiddetto effetto Joule.

Si potrebbe aumentare l’efficienza energetica se fosse possibile ridurre i campi magnetici e le correnti elettriche necessari. Questo si può fare abbassando la coercività (l’abilità di sopportare un campo magnetico esterno senza smagnetizzarsi) del materiale attivato. I recenti progressi in questo settore hanno riportato successi significativi solo al di sotto di 300 Kelvin e solo con pellicole ultra sottili o nanoparticelle. Il nuovo progetto SPIN-PORICS, finanziato dall’UE, però ha recentemente annunciato di aver creato un nuovo materiale con proprietà simili a una spugna, che promette nuovi progressi.

Un nuovo prototipo nanocomposito

Il team del progetto SPIN-PORICS (Merging Nanoporous Materials with Energy-Efficient Spintronics) ha dichiarato alla rivista Advanced Functional Materials di aver creato i primi prototipi di memorie magnetiche nanoporose, a base di leghe di rame e nickel (CuNi). L’interno di queste pellicole di CuNi era organizzato come una spugna, con spazi di appena 5 o 10 nanometri tra i pori, limitando lo spazio nelle pareti del poro a un paio di dozzine di atomi. Questo strato nanoporoso era riempito con un materiale dielettrico, dove le proprietà magnetiche erano regolate a temperatura ambiente usando elettroliti liquidi per applicare la tensione elettrica.

Il team del progetto ha detto si essere riuscito a raggiungere una riduzione del 35 % della coercività magnetica, ottenendo il consumo di energia necessario per riorientare i campi magnetici, che è necessario per registrare dati. Questo risultato è dovuto al design nanoporoso che permette a tutta la pellicola – non solo la superficie – di partecipare all’effetto elettromagnetico.

Riassumendo il successo del progetto prototipo, il coordinatore, il professor Jordi Sort, ha detto, “I nanopori che si trovano all’interno di materiali nanoporosi offrono una grande quantità di superficie. Con questa ampia superficie concentrata in uno spazio molto piccolo possiamo applicare il voltaggio di una batteria e ridurre enormemente l’energia necessaria per orientare i campi magnetici e registrare i dati. Questo rappresenta un nuovo paradigma nel risparmio di energia dei computer e nel calcolo e nella gestione di dati magnetici in generale.”

Introdurre un nuovo paradigma per la spintronica

La rivoluzione digitale ha bisogno di un aumento della capacità dell’hard disk e della velocità di elaborazione dei dati e entrambe queste cose sono state aiutate dai progressi di magnetismo e spintronica (elettronica fondata sullo spin - che sfrutta lo spin dell’elettrone e il magnetismo). Più in generale, gli sviliuppi della tecnologia dell’informazione e della comunicazione dipendono dal superamento di inefficienze energetiche che continuano a esistere nei dispositivi magnetoelettrici. Si stima per esempio che nei computer il 40 % dell’energia si perde con la dissipazione del calore. Questo significa che aziende come Google scelgono di collocare i loro server sott’acqua o nei paesi nordici, per garantire temperature basse.

Il team di SPIN-PORICS prevede che il nuovo materiale nanocomposito sarà utile principalmente per tre applicazioni tecnologiche: registrazione magnetica assistita elettricamente, commutazione guidata dalla tensione elettrica di memorie ad accesso casuale magnetiche e spin transistor a effetto campo. Dato che alcuni calcoli suggeriscono che sostituendo la corrente elettrica con la tensione elettrica nei sistemi di elaborazione dei dati si potrebbero ridurre i costi energetici di un fattore di 1/500, questo nuovo paradigma potrebbe avere un significativo impatto economico. Secondo il prof. Jordi Sort, “L’implementazione di questo materiale nelle memorie di computer e dispositivi mobili può avere molti vantaggi, principalmente un risparmio diretto di energia per i computer e un aumento considerevole dell’autonomia dei dispositivi mobili.”

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