Il laser riproduce paesaggi magnetici su misura

Lauren Riddiford, AleÅ¡ Hrabec e Jeffrey Brock (da sinistra a destra) nel cleanroom del Park Innovaare – situato proprio accanto al PSI. Qui vengono create le strutture magnetiche innovative, che vengono modificate con precisione tramite tecnologia laser. © Paul Scherrer Institut PSI / Mahir Dzambegovic

Dalla luce laser a un fiocco di neve: questa struttura magnetica è stata creata al PSI con un laser industriale – non per decorazione, ma come dimostrazione di una modifica precisa del materiale con potenziale per l'archiviazione dei dati, l'IA e la fotonica. © Paul Scherrer Institut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI, in collaborazione con il National Institute of Standards and Technology (NIST) di Boulder, Colorado, sono riusciti per la prima volta, utilizzando la tecnologia laser esistente, a variare continuamente le proprietà magnetiche dei materiali in due dimensioni. La tecnica semplice e rapida dovrebbe consentire una vasta gamma di applicazioni, tra cui nuove tecniche di memorizzazione e elaborazione dei dati.

A volte si può ottenere qualcosa di sorprendente quando si utilizzano strumenti tradizionali in modo nuovo. È successo anche ai ricercatori quando hanno impiegato l'apparecchiatura laser ad alta tecnologia in ambiente sterile del PSI per qualcosa per cui non era stata progettata. Originariamente, infatti, era stata acquistata per la fotolitografia – un processo per produrre strutture 2D molto piccole. Normalmente, il laser irradia una vernice fotosensibile con diversa intensità di luce, creando così vari livelli di esposizione, chiamati anche livelli di grigio. La litografia a livelli di grigio forma un rilievo tridimensionale che può essere trasferito sul materiale desiderato. Un campo di applicazione importante di questa tecnica è la microottica moderna, poiché permette di fabbricare, ad esempio, lenti per smartphone.

«Utilizziamo questo strumento per qualcosa di diverso dal suo scopo originale», spiega Aleš Hrabec: «Con esso, generiamo variazioni bidimensionali e continue delle proprietà magnetiche nei materiali, che sono importanti per una vasta gamma di applicazioni.» Hrabec è uno scienziato del gruppo di sistemi mesoscopici, guidato da Laura Heyderman, appartenente al PSI e all'ETH Zürich. Per mesoscopico si intendono sistemi su una scala di lunghezza di pochi micrometri. Per fare un confronto: un capello umano ha un diametro di circa 100 micrometri, quindi è molte volte più grande.

Idea pazza che funziona

Per modificare le proprietà di un materiale magnetico, si può, ad esempio, riscaldarlo in un forno. Tuttavia, in questo modo, si modifica l'intera provetta. Alla ricerca di un metodo per variazioni localizzate, i ricercatori del PSI hanno avuto l'idea di inserire un sottile film di un materiale magnetico senza vernice fotosensibile nel dispositivo di litografia esistente. «È stata un'idea pazza, quindi sono rimasto molto sorpreso che abbia funzionato al primo tentativo», racconta Lauren Riddiford, postdoc del gruppo di sistemi mesoscopici: «Quando abbiamo osservato il contrasto magnetico sotto un microscopio speciale, abbiamo subito visto le variazioni continue delle proprietà magnetiche.»

In sostanza, il laser funziona come un forno, ma la sua azione modifica le proprietà magnetiche con precisione puntuale. Con il laser si scansiona la superficie del campione di materiale e si modula l'intensità luminosa secondo le necessità. In questo modo, si riscaldano aree molto piccole, di soli 150 nanometri di diametro. La tecnica si chiama «Direct-Write Laser Annealing», abbreviato DWLA, ovvero: annealing laser a scrittura diretta. Riscaldando in modo mirato, un materiale può cambiare localmente – ossidarsi, cristallizzarsi o essere legato a due metalli. In questo modo, si può modificare la forza o la dipendenza dalla direzione della magnetizzazione, nonché influenzare l'interazione sul confine tra due materiali.

Questo approccio locale e graduato può generare in modo unico cosiddetti gradienti delle proprietà magnetiche, che possono assumere qualsiasi forma desiderata. Finora, si potevano produrre solo gradienti laterali e unidimensionali di tali proprietà. Ora, sono possibili cerchi, spirali o forme ancora più complesse, come dimostra Riddiford in un video che mostra la formazione di una struttura magnetica a forma di fiocco di neve. «Quando applichiamo un campo alla provetta lavorata, prima la magnetizzazione al centro cambia direzione da verso l'alto a verso il basso. Se il campo si rafforza, questa inversione si propaga radialmente», spiega la ricercatrice. Nelle aree intorno al fiocco di neve, il materiale è stato riscaldato con il laser abbastanza da non essere più magnetico.

Più veloce, efficiente e sicuro

L'obiettivo dei ricercatori non sono solo immagini belle, ma applicazioni concrete, ad esempio nella tecnologia di memorizzazione dei dati. Da tempo si usano piccoli magneti per salvare i dati sui dischi rigidi dei computer. A seconda della direzione del polo di un magnete, si rappresenta un uno o uno zero, cioè il valore di un bit. Sopra il disco rotante si trova una bobina che legge e scrive le informazioni tramite un campo magnetico. «Con la nostra tecnologia, vogliamo scoprire quali materiali e proprietà magnetiche sono più adatti per realizzare memorie prive di parti mobili e che non richiedano l'uso di campi magnetici», afferma Jeffrey Brock, anche lui postdoc del gruppo di sistemi mesoscopici.

Grazie alle variazioni continue delle proprietà magnetiche nel supporto di memorizzazione, non è necessario un campo magnetico per cambiare la magnetizzazione dei bit. Si può usare una corrente elettrica per scrivere e leggere le informazioni. Esistono già tali elementi di memoria. «Crediamo però che il nostro approccio alla modifica locale delle proprietà dei materiali sia molto più semplice e veloce rispetto alle tecnologie attualmente usate per creare tali pattern», dice Brock. Le memorie alimentate a corrente sono più veloci e permettono di immagazzinare più dati in uno spazio più ridotto. I ricercatori vogliono applicare questa tecnica anche a una particolare classe di materiali, i cosiddetti antiferromagnetici sintetici. In questo modo, la memorizzazione dei dati sarebbe più duratura e sicura, poiché questo materiale è immune ai campi magnetici esterni.

Calcolo e memorizzazione nello stesso chip

Un'altra possibile applicazione è il cosiddetto calcolo in-memory – ovvero l'elaborazione e la memorizzazione dei dati avvengono nello stesso chip. Nei dispositivi elettronici attuali, i dati vengono continuamente trasferiti tra il processore rapido e l'unità di memoria molto più lenta, il che richiede molto tempo ed energia. L'uso di un solo chip accelererebbe drasticamente l'accesso ai dati.

Già quattro anni fa, una collaborazione di ricerca tra il PSI e l'ETH Zürich è riuscita per la prima volta a eseguire operazioni logiche in un materiale magnetico in cui i dati possono essere anche memorizzati – un'invenzione anche brevettata. Tuttavia, il materiale usato finora non è compatibile con i processi di produzione standard dell'industria dei chip odierna. «Speriamo di poter creare con la tecnologia laser un materiale magnetico compatibile con questi processi standard», afferma Hrabec.

Un altro nuovo campo di ricerca è il cosiddetto calcolo neuromorfico – un tipo di elaborazione dei dati ispirato dal cervello e dalla rete di neuroni. In questo caso, piccoli magneti in diverse configurazioni interagiscono tra loro come i neuroni nella loro rete. «Il cervello non è fatto di un materiale semplice», dice Hrabec: «Per questo motivo, non si può usare solo uno strato sottile di un singolo materiale magnetico come il cobalto, ma serve qualcosa di più complesso.» Un compito ideale per la nuova tecnologia laser, che permette di creare paesaggi magnetici di qualsiasi tipo.

Hrabec è convinto che il lavoro del team di ricerca aprirà molte altre applicazioni, ad esempio nel campo dei sensori o della fotonica, dove si utilizza la luce per trasmettere informazioni. Grazie al riscaldamento laser e alla cristallizzazione del materiale, si può modificare l'indice di rifrazione e quindi le proprietà ottiche di un materiale. Il grande vantaggio del fascio laser: l'apparecchiatura utilizzata è un dispositivo commerciale già presente in molti laboratori in tutto il mondo. Non sono necessari vuoto o condizioni particolari. In questo modo, si può ottenere in pochi secondi ciò che in un forno richiederebbe ore. «Il grande punto di forza di questa tecnologia è che è economica, veloce e facilmente accessibile», riassume Hrabec.