I vortici magnetici, o skyrmioni, sono stati ipotizzati teoricamente più di 25 anni fa, ma solo recentemente è stato possibile osservarli sperimentalmente in materiali magnetici.
Un “vortice” è descritto come un particolare schema di disposizione di atomi i cui momenti di dipolo magnetico hanno direzioni che si avvolgono intorno a un asse in modo da formare, appunto, una specie di vortice. Il fenomeno, denominato con il termine di ferrotoroidalità, è oggi considerato estremamente interessante per la ricerca di base, ma potrebbe avere anche notevoli applicazioni pratiche.
Verso una nuova generazione di sistemi data storage
I vortici magnetici, o skyrmioni, sono caratterizzati da estrema stabilità, possono avere un diametro di pochi nanometri e possono essere spostati in modo efficiente tramite corrente elettrica, ma finora era possibile ottenerli solo a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto. Recenti studi e approfondimenti hanno però consentito di ipotizzare un’applicazione dei vortici magnetici anche a temperatura ambiente, con la possibilità di modificare le loro proprietà tramite strutture composte da più strati magnetici; questa nuova scoperta consente oggi di candidarli come base per una nuova tipologia di data storage a elevata efficienza energetica, con memorizzazione di un bit di informazione per vortice, e anche a elevatissima densità stante le ridotte dimensioni dei vortici. Gli attuali hard disk sono costituiti da uno o più piatti in vetro o alluminio su cui è depositato del materiale ferromagnetico, con ogni piatto che prevede due testine che leggono e scrivono i dati “volando” a pochi nanometri dalla superfice grazie al cuscino d’aria che si forma con la rotazione del disco. Le testine utilizzano degli speciali resistori, denominati spin valve, che modificano la propria resistenza elettrica in base alla polarità del campo magnetico. Se gli hard disk devono essere messi in rotazione per permettere la memorizzazione e la lettura dei dati, nel caso di un ipotetico skyrmion-based device i bit potrebbero essere semplicemente spostati attraverso il materiale, in modo del tutto analogo al flusso di una corrente elettrica in un cavo, da cui nessuna parte in movimento e la necessità solo di una debole corrente per attivare lo spostamento; inoltre, all’accensione di un computer, i dati sarebbero immediatamente disponibili come avviene nel caso di una memoria non volatile.
Le nuove frontiere della ricerca
Gli skyrmioni, strutture magnetiche veramente uniche, pur essendo state osservate sperimentalmente solo di recente, come prima evidenziato, sono presenti in varie forme e modalità su superfici metalliche come quelle usate normalmente in molteplici applicazioni tecnologiche, per esempio i sensori magnetici o le testine di lettura degli hard disk. Per poter sfuttare i vortici magnetici come “storage medium” molte sono ancora le sfide da vincere, prima di tutto quella di costruire una struttura di interfaccia con sufficiente materiale magnetico, ma anche di ottenere una generazione dei vortici a temperatura ambiente. I ricercatori dell’università di Kiel sembra che siano oggi in grado di rispondere positivamente a queste sfide, avendo concepito un metodo per controllare le proprietà magnetiche degli skyrmioni tramite una struttura costituita da più strati di diversi metalli, ciascuno spesso solo pochi atomi. Le diverse sperimentazioni poste in atto si sono basate su calcoli di meccanica quantistica elaborati dal supercomputer della North-German Supercomputing Alliance, che hanno dimostrato come la struttura magnetica multilayer sia in grado di garantire la massa magnetica necessaria con produzione di vortici a “room temperature”, permettendo di individuare la strada per un’implementazione pratica della teoria sviluppata, culminata tra l’altro nella recente osservazione sperimentale degli skyrmioni stessi.
