Un gruppo di scienziati ha ottenuto un magnete stabile costituito da un singolo atomo. L'obiettivo finale, ancora lontano, è realizzare dischi rigidi a scala atomica, in grado di aumentare di migliaia di volte la densità di immagazzinamento dei dati rispetto alle prestazioni degli hard disk attuali.
Spaccate un magnete in due: avrete due magneti più piccoli. Tagliateli ancora in due, e ne otterrete quattro. Ma più i magneti diventano piccoli, più sono instabili: i loro campi magnetici tendono a invertire le polarità da un momento all'altro. Ora, però, i fisici sono riusciti a creare un magnete stabile da un singolo atomo.
Il gruppo, che ha pubblicato il proprio lavoro su Nature l'8 marzo scorso , ha usato i suoi magneti a singolo atomo per realizzare un hard disk su scala atomica. Il dispositivo riscrivibile, formato da due di questi magneti, è in grado di memorizzare solo due bit di dati, ma se portato a grande scala potrebbe aumentare di 1000 volte la densità di immagazzinamento dei dati di un hard disk, spiega Fabian Natterer, fisico dell'École polytechnique fédérale de Lausanne ( EPFL), in Svizzera, autore dell'articolo.
“È una pietra miliare”, commenta Sander Otte, fisico della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi. “Finalmente, è stata dimostrata in modo indiscutibile la stabilità magnetica in un singolo atomo”.
All'interno di un normale hard disk c'è un disco diviso in aree magnetizzate, ciascuna simile a una piccola barretta magnetica; i campi delle aree magnetizzate possono puntare verso l'alto o verso il basso. Ciascuna direzione rappresenta un 1 o uno 0, un'unità di dati nota come bit. Più sono piccole le aree magnetizzate, più densamente possono essere memorizzati i dati. Ma le regioni magnetizzate devono essere stabili, in modo che gli 1 e gli 0 all'interno del disco rigido non cambino accidentalmente.
Gli attuali bit commerciali sono costituiti da circa un milione di atomi. Ma in esperimenti i fisici hanno ridotto radicalmente il numero di atomi necessari per memorizzare un bit, passando dai 12 atomi del 2012 a un unico atomo ora. Natterer e il suo gruppo hanno usato atomi di olmio, un metallo delle terre rare, posto su un foglio di ossido di magnesio e mantenuto a una temperatura inferiore a cinque kelvin.
L'olmio è particolarmente adatto allo stoccaggio a singolo atomo perché ha molti elettroni spaiati che creano un forte campo magnetico, e questi elettroni si trovano in un'orbita vicina al centro dell'atomo dove sono schermati dall'ambiente. Questo conferisce all'olmio un campo intenso e stabile, dice Natterer. Ma la schermatura ha un inconveniente: rende l'olmio notoriamente un elemento con cui è difficile interagire. E finora molti fisici dubitavano che fosse possibile determinare in modo affidabile lo stato dell'atomo.
Bit di dati.
Per scrivere i dati su un singolo atomo di olmio, il gruppo ha usato un impulso di corrente elettrica da una punta magnetizzata di un microscopio a effetto tunnel, che può invertire l'orientamento del campo dell'atomo tra uno 0 e un 1. Nei test, i magneti si sono dimostrati stabili: ciascuno ha conservato i propri dati per diverse ore e il gruppo non ha mai osservato una inversione involontaria. I ricercatori hanno usato lo stesso microscopio per leggere il bit, con diversi flussi di corrente per rilevare lo stato magnetico dell'atomo.
Per dimostrare ulteriormente che la punta avrebbe potuto leggere in modo affidabile il bit, il gruppo, che includeva ricercatori dell'IBM, ha ideato un secondo metodo di lettura indiretto. Ha usato un atomo di ferro vicino come un sensore magnetico, regolandolo in modo che le sue proprietà elettroniche dipendessero dall'orientamento dei due magneti atomici di olmio nel sistema a 2 bit. Il metodo permette al gruppo di leggere anche più bit contemporaneamente, dice Otte, rendendolo più pratico e meno invasivo rispetto alla tecnica microscopica.
Usare singoli atomi come bit magnetici aumenterebbe radicalmente la densità di memorizzazione dei dati; Natterer riferisce che i suoi colleghi dell'EPFL stanno lavorando a metodi per realizzare grandi schiere di magneti a singolo atomo. Ma il sistema a 2 bit è ancora lontano dalle applicazioni pratiche e molto in ritardo rispetto a un altro tipo di archiviazione a singolo atomo, che codifica i dati nelle posizioni degli atomi, invece che nella loro magnetizzazione, e ha già costruito un dispositivo di archiviazione dati riscrivibile da 1-kilobyte (8192-bit).
Un vantaggio del sistema magnetico, tuttavia, è che potrebbe essere compatibile con la spintronica, dice Otte. Questa tecnologia emergente usa stati magnetici non solo per memorizzare i dati, ma anche per spostare informazioni in un computer al posto della corrente elettrica, e renderebbe i sistemi molto più efficienti dal punto di vista energetico.
Nel breve termine, i fisici sono più entusiasti di studiare i magneti a singolo atomo. Natterer, per esempio, prevede di osservare tre mini-magneti orientati in modo che i loro campi siano in concorrenza l'uno con l'altro, in modo da invertirsi continuamente.
“Ora possiamo giocare con questi magneti a singolo atomo, usandoli come mattoncini Lego per costruire strutture magnetiche da zero”, conclude.
(L'originale di questo articolo è stato pubblicato su Nature l'8 marzo 2017 . Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)
Fonte: http://www.lescienze.it