L’immagazzinamento dell’informazione nei sistemi di memoria, come i dischi rigidi dei computer, viene ancor oggi effettuata tramite un piccolo elettromagnete che magnetizza la superficie del disco: un processo lungo, energeticamente costoso e che non permette elevata miniaturizzazione. «Indurre questa magnetizzazione attraverso un campo elettrico darebbe enormi vantaggi, permettendo di superare le attuali limitazioni, diminuendo il consumo energetico e realizzando uno dei sogni della comunità scientifica e di chi cerca nuove soluzioni tecnologiche per l’elettronica moderna» È quello a cui porteranno gli sviluppi di un esperimento condotto presso il centro di ricerca Elettra Sincrotrone Trieste di Area Science Park da un gruppo internazionale di ricercatori, in primis Cnr e Politecnico di Milano e illustrato recentemente sulla rivista Nature Communications.
Lo spiega a Ilsussidiario.net Piero Torelli, fisico dell’Istituto officina dei materiali del Cnr di Trieste e fra gli autori della ricerca, che illustra questo nuovo meccanismo capace di scrivere l’informazione nelle memorie digitali con un’efficienza mai raggiunta prima. L’esperimento si basa sulla magnetizzazione di un materiale tramite un impulso elettrico: «Il sistema che abbiamo studiato è costituito da due strati di materiale facilmente reperibile e poco costoso: uno di ferro e uno di ossido di bario e di titanio, che una volta sovrapposti reagiscono formando un sottilissimo ossido di ferro nella zona di interfaccia. Sottoponendo il campione a un’analisi spettroscopica con la luce di sincrotrone di Elettra siamo riusciti a seguire le proprietà di ciascuno strato, verificando come il grado di magnetizzazione all’interfaccia variasse in base al campo elettrico applicato sullo strato di ossido, in modo controllabile e reversibile».
Ma come sono arrivati a immaginare questo nuovo metodo di memorizzazione e a ideare questo esperimento? «Bisogna chiarire che il mondo della ricerca sull’elettronica e come in questo caso della scienza dei materiali dedicati all’elettronica è estremamente competitivo e interconnesso, il che fa si che alcune soluzioni siano perseguite anche da un gran numero di gruppi di ricerca. Il sistema Fe/BTO (ferro/titanato di Bario), in cui si uniscono uno strato ferroelettrico (BTO) e uno ferromagnetico (Fe), era visto dalla comunità scientifica come uno dei possibili sistemi su cui ottenere alti valori di accoppiamento magnetoelettrico (ovvero di risposta magnetica a uno stimolo elettrico) e perciò molto studiato. L’originalità del lavoro sta nell’aver preparato un campione in cui al classico strato di ferro abbiamo sostituito un doppio strato di Cobalto e ferro (i due elementi sono entrambi ferromagneti che hanno caratteristiche molto simili). Abbiamo così creato un campione di Co/Fe/BTO dove lo strato di ferro era sottilissimo (anche un solo piano atomico) per poter investigare cosa succede all’interfaccia fra il ferromagnete e il ferroelettrico».
Torelli ha fatto riferimento a Elettra, il sincrotrone di Trieste la cui “luce” permette di rivelare i dettagli della struttura e del comportamento di atomi e molecole, per dare soluzione ai problemi più diversi, in ambiti che vanno dall’elettronica alle scienze ambientali, dalla farmacologia alla diagnostica, dall’ingegneria alle nanotecnologie e alla tutela dei beni culturali. In questo caso, che ruolo ha avuto e quale è stato il vantaggio dell’utilizzo della luce di sincrotrone? «Grazie all’uso di tecniche di analisi basate sulla luce di sincrotrone – dice Torelli – è possibile studiare le proprietà magnetiche dei diversi elementi chimici separatamente. In questo modo grazie alla speciale struttura che avevamo dato al campione e alla sensibilità chimica della tecnica di analisi utilizzata abbiamo ottenuto un’altissima sensibilità all’interfaccia che ci ha permesso di scoprire che fra lo strato di Ferro e il titanato di Bario avveniva una reazione chimica che creava un sottilissimo strato di ossido di Ferro e che proprio questo ossido di ferro reagiva all’impulso elettrico “accendendo” e “spegnendo” la sua magnetizzazione».
Per passare dai risultati sperimentali all’applicazione pratica del nuovo sistema si dovranno compiere comunque altri passi: «Per il momento siamo ancora alle prove di fattibilità; credo che questo tipo di effetto per poter essere utilizzato in dispositivi reali debba dimostrare anzitutto una buona ripetibilità e una grande robustezza (durata temporale). Inoltre mi verrebbe da aggiungere che, come avviene spesso nella scienza moderna, alcuni sistemi alternativi ai doppi strati ferroelettrico-ferromagnetico non si devono dimostrare troppo efficienti!»
Il successo dell’esperimento conferma comunque che l’abbinamento di materiali con proprietà ferroelettriche e ferromagnetiche in strati contigui rappresenta una via promettente verso il controllo elettrico della magnetizzazione e apre la strada a una nuova generazione di dispositivi di memoria super efficienti, con un consumo energetico che potrebbe ridursi di oltre mille volte rispetto a quello consentito dalle tecnologie attuali. Sono i frutti di un’elettronica moderna, capace di riunire i vantaggi della ferroelettricità (basso costo di scrittura delle informazioni) e quelli del magnetismo (durata dell’informazione immagazzinata).