Dodici atomi per un bit: il dispositivo di stoccaggio magnetico più piccolo al mondo

Grazie ad una collaborazione tra i ricercatori IBM e gli scienziati del German Center for Free-Electron Laser Science è stato possibile realizzare ciò che viene definito come la più piccola unità magnetica per lo stoccaggio di informazioni. I ricercatori hanno presentato il lavoro nell'edizione di questa settimana della rivista Science.

Si tratta di un dispositivo delle dimensioni di pochi nanometri che fa uso di dodici atomi per singolo bit, che permettono conseguentemente di rappresentare un byte di informazioni in 96 atomi. Per contestualizzare questi numeri basti pensare che un normale hard disk necessita di oltre mezzo miliardo di atomi per byte.

La nanoscopica unità di stoccaggio dati è stata realizzata costruendola letteralmente atomo per atomo con l'ausilio di un microscopio ad effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscope - STM) in dotazione all'Almaden Research Center di IBM a San Jose. Grazie a questa strumentazione i ricercatori hanno avuto la possibilità di realizzare motivi regolari di atomi di ferro, allineandoli in file di sei atomi ciascuna. Sono necessarie due file, quindi dodici atomi, per stoccare un bit di informazione, ed un byte corrisponde a otto paia di file di atomi. Le dimensioni di questo dispositivo sono di appena 4 x 16 nanometri, dando così luogo ad una densità di stoccaggio dati considerevolmente superiore, nell'ordine delle centinaia di volte, rispetto ad un hard disk contemporaneo.

Le informazioni possono essere scritte e lette sull'unità mediante l'impiego dell'STM. Le coppie di atomi possono avere due stati magnetici, corrispondenti ai valori 0 e 1 di un bit. Impiegando una pulsazione elettrica tramite una punta dell'STM è possibile causare la fluttuazione tra una configurazone magnetica e l'altra mentre una pulsazione di inferione intensità consente di leggere la configurazione magnetica.

E' importante sottolineare che si tratta di un esperimento di laboratorio, lontano ancora diversi anni da una possibile concretizzazione nella realtà: per le operazioni di scrittura e lettura è infatti stato utilizzato il microscopio ad effetto tunnel ed i piccoli nanomagneti risultano essere stabili ad una temperatura di 5 K, corrispondente a -268 °C. Al di sopra di questa soglia le piccole strisce di ferro iniziano a variare stato magnetico in maniera casuale. Sebastian Loth, principale autore della pubblicazione, spiega che un array di 200 atomi potrebbe avere tutte le caratteristiche necessarie per mostrare la corretta stabilità a temperatura ambiente.

I materiali ferromagnetici che vengono comunemente utilizzati per la realizzazione di hard disk tradizionali mostrano però il fianco nel momento in cui la miniaturizzazione si spinge a tal punto da arrivare nel campo delle dimensioni atomiche. E' a queste dimensioni, infatti, che le interazioni magnetiche che si innescano tra i campi magnetici dei singoli bit possono andare a compromettere l'informazione stessa. La gestione dei bit magnetici su scala atomica è pertanto fondamentale per poter conservare l'informazione ed effettuare operazioni di computazione. Alle temperature a cui hanno lavorato i ricercatori, però, i materiali utilizzati mostrano una differente proprietà magnetica chiamata antiferromagnetismo che, in estrema sintesi, permette di neutralizzare le interazioni di campo magnetico tra i bit confinanti. In questo modo è stato possibile condensare le file di atomi portandole ad una distanza di appena un nanometro l'una dall'altra. Loth sottolinea che esistono inoltre numerose altre dimostrazioni sperimentali che hanno permesso di capire come poter mantenere le proprietà antiferromagnetiche anche a temperatura ambiente, in maniera tale che il dispositivo possa operare stabilmente anche a temperature più elevate.

Il team di ricercatori ha mostrato un approccio inverso alla miniaturizzazione: invece di provare a ridurre i componenti esistenti hanno iniziato a costruirne uno partendo dai singoli atomi. Commenta Loth: "Abbiamo capito passo passo quali dovevano essere le dimensioni minime per poter entrare nel regno della fisica classica. Al di sotto della soglia di 12 atomi che abbiamo individuato empiricamente, gli effetti quantistici vanno a compromettere l'informazione conservata". Se gli effetti quantistici possono in qualche modo essere impiegati a vantaggio delle operazioni di stoccaggio dell'informazione è attualmente un argomento di intensa ricerca.

Gli esperimenti condotti dai ricercatori hanno inoltre permesso di realizzare un perfetto banco di prova per capire dove si situa il confine tra la fisica classica e la fisica quantistica: "Abbiamo imparato a controllare gli effetti quantistici modificando forma e dimensioni delle file di atomi di ferro. Possiamo usare questa capacità per andare ad indagare sugli effetti che innescano la meccanica quantistica. Che cosa separa i magneti quantistici da quelli classici? Come si comportano i magneti al confine dei due mondi? Sono domande entusiasmanti a cui presto sarà possibile dare una risposta" ha concluso Loth.