Misure risolte nel tempo nella memoria dati

Presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH di Zurigo, Pietro Gambardella e i suoi collaboratori stanno conducendo ricerche sui dispositivi di archiviazione dati di domani. Devono essere veloci, memorizzare i dati in modo affidabile per lungo tempo e costare poco. La quadratura del cerchio si ottiene con le cosiddette memorie ad accesso casuale magnetico (MRAM), che combinano la commutazione rapida tramite correnti elettriche con la memorizzazione permanente in materiali magnetici. Qualche anno fa, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che un certo effetto fisico - la coppia spin-orbita - consente una memorizzazione particolarmente veloce dei dati. Ora il gruppo di lavoro di Gambardella, in collaborazione con il centro di ricerca e sviluppo IMEC in Belgio, è riuscito a risolvere l'esatta sequenza di un singolo processo di memorizzazione di questo tipo nel tempo - e a renderlo ancora più veloce con alcuni accorgimenti.

Magnetizzazione con spin singoli

Per memorizzare i dati in modo magnetico, la direzione di magnetizzazione di un materiale ferromagnetico (cioè permanentemente magnetico) deve essere invertita per rappresentare l'informazione come un valore logico 0 o 1. Nelle tecnologie più vecchie, come i nastri magnetici o i dischi rigidi, questo avviene utilizzando campi magnetici generati in bobine che trasportano corrente.

Le moderne memorie MRAM, invece, sfruttano direttamente gli spin degli elettroni, che sono magnetici come piccoli aghi di bussola e fluiscono come corrente direttamente attraverso uno strato magnetico. Negli esperimenti di Gambardella, gli elettroni con direzioni di spin opposte sono spazialmente separati dall'interazione spin-orbita. Questo crea a sua volta un campo magnetico effettivo, la cui influenza può invertire la direzione di magnetizzazione di un piccolo punto metallico.

"Da precedenti esperimenti in cui abbiamo scansionato stroboscopicamente con raggi X un singolo punto metallico magnetico, sapevamo che l'inversione di magnetizzazione avviene molto rapidamente, in circa un nanosecondo", spiega Eva Grimaldi, ricercatrice post-dottorato nel gruppo di lavoro di Gambardella. "Tuttavia, si trattava di valori mediati su molti processi di inversione. Ora volevamo sapere come avviene esattamente un singolo processo e dimostrare che funziona in una memoria magnetica compatibile con l'industria".

Risoluzione temporale mediante contatto tunnellizzato

Piccole fluttuazioni

"Per una memorizzazione veloce e affidabile dei dati è essenziale che le fluttuazioni temporali tra i singoli processi di inversione siano il più possibile ridotte", spiega la dottoranda di Gambardella Viola Krizakova. I ricercatori hanno quindi utilizzato i loro dati per sviluppare una strategia per ridurre al minimo queste fluttuazioni. Per farlo, hanno modificato gli impulsi di corrente utilizzati per controllare l'inversione di magnetizzazione in modo tale da far entrare in gioco altri due fenomeni fisici. La cosiddetta coppia di trasferimento degli spin e un breve impulso di tensione durante la fase di inversione hanno fatto sì che l'intero processo di inversione durasse meno di 0,3 nanosecondi, con fluttuazioni temporali inferiori a 0,2 nanosecondi.

La tecnologia è pronta per l'uso

"Abbiamo così trovato un metodo con cui i dati possono essere memorizzati praticamente senza errori nei contatti magnetici a effetto tunnel in meno di un nanosecondo", afferma Gambardella. La collaborazione con il centro di ricerca IMEC ha permesso di testare la nuova tecnologia direttamente su un wafer compatibile con l'industria. Kevin Garello, un post-dottorando del laboratorio di Gambardella, ha prodotto i chip con contatti a tunnel per gli esperimenti dell'ETH e ne ha ottimizzato i materiali. In linea di principio, la tecnologia sarebbe quindi pronta per l'uso immediato in una nuova generazione di MRAM.

Gambardella sottolinea che le MRAM sono così interessanti perché, a differenza delle memorie SRAM o DRAM convenzionali, non perdono le informazioni memorizzate quando il computer viene spento, ma sono comunque altrettanto veloci. Tuttavia, ammette che il mercato delle memorie MRAM non richiede ancora velocità di scrittura così elevate, poiché altri ostacoli tecnici come le perdite di energia dovute alle elevate correnti di commutazione limitano i tempi di accesso. Nel frattempo, lui e i suoi collaboratori stanno già pianificando i prossimi miglioramenti: vogliono ridurre le dimensioni dei contatti del tunnel e utilizzare altri materiali che utilizzino l'elettricità in modo più efficiente.