Isteroni, la base per le memorie del futuro

La memoria è essenziale per svolgere qualsiasi attività di gestione delle informazioni. La nostra stessa avanzatissima intelligenza biologica si basa sulla nostra incredibile capacità di memorizzare informazioni. Se vogliamo PC e dispositivi elettronici sempre più potenti abbiamo bisogno di memoria di grande capacità e soprattutto servirà velocità e reattività. Ad oggi le memoria fisiche non volatili sono basate su due tipi di tecnologie: quella magnetica degli hard disk e quella NAND dei moderni SSD. 

Memorie per PC

La tecnologia NAND, o più precisamente NAND Flash, ha preso molto piede negli ultimi anni grazie agli affinamenti produttivi che ne hanno abbassato i prezzi e aumentato la densità. Il loro punto forte è la velocità, ma come funzionano? Ogni bit di dati è memorizzato in floating gate MOSFET, un particolare tipo di transistor, differente da quello che troviamo nei processore e nelle memorie volatili. Essenzialmente per memorizzare i bit di informazione di devono poter codificare stati alti (1)  e bassi (0) attraverso una grandezza fisica, tipicamente una carica. Utilizzando la classica tecnologia CMOS, un volta tolta l’alimentazione, tutti i bit vengono persi perché i transistor si spengono. Il floating gate MOSFET invece è caratterizzato da un terminale immerso in uno strato di ossido di silicio, isolato dal resto del dispositivo. Essendo isolato quindi, anche togliendo l’alimentazione la carica depositata rimane memorizzata. Solo facendo passare delle correnti in versi opportuni all’interno del dispositivo si può caricare e scaricare il terminale isolato. Le dimensioni minime raggiunte dalla tecnologia a semiconduttore hanno permesso di integrare miliardi di floating gate MOSFET, creando memorie di grande capacità. Inoltre si tratta di memoria che si possono programmare e cancellare elettricamente, senza necessità di muovere parti meccaniche, aumentando prestazioni e resistenza agli shock. 

Struttura di floating gate MOSFET

La vecchia tecnologia di memorizzazione invece sfrutta la tecnologia magnetica. La magnetizzazione di una materiale avviene per lo più per orientazione: nei materiali ogni molecola è sostanzialmente un dipolo elettrico, ovvero un “magnete” elementare; in certi materiali è possibile modificare l’orientazione casuale delle molecole, allineandole, come se unissimo tanti piccoli magneti per farne uno più grande e potente. L’informazione è legata all’orientazione dei domini di Weiss. Un materiale ferromagnetico – cioè capace di magnetizzarsi se posto all’interno di una campo magnetico e di mantenere la magnetizzazione anche in assenza di campo per un periodo di tempo molto lungo – è suddiviso in tante micro aree, i domini magnetici di Weiss, orientati in modo casuale. Sotto l’effetto di un campo esterno però uno alla volta questi domini si orientano (ognuno ha una diversa soglia di orientazione, cosicché si possono controllare indipendentemente dagli altri), causando la magnetizzazione dell’intero materiale.

Processo di orientazione dei domini tramite l’applicazione di un campo esterno

Ogni dominio, a seconda della sua orientazione, genera anche un campo magnetico microscopico, diverso da quello degli altri. La testina del nostro hard disk non fa altro che misurare il campo dei domini in fase di lettura, mentre applica un campo magnetico per orientarli in fase di scrittura. Ad oggi i domini di Weiss arrivano all’ordine di grandezza di pochi nanometri, permettendo enormi densità di memoria. Sono molto affidabili perché l’unico modo per disorientare i domini di Weiss è applicare un forte campo magnetico esterno oppure scaldare molto il nostro disco rigido. 

Domini magnetici di Weiss in un magnete permanente

Gli isteroni sono essenzialmente gli analoghi ferroelettrici del domini di Weiss e forse potrebbero rivoluzionare il settore delle memorie ora che sono stati osservati. 

Isteroni: nuova vita per le memorie dei nostri dispositivi?

Esistono in natura anche dipoli elettrici, dispersi nei materiali. Allo stesso modo di quelli magnetici, questi dipoli si orientano in presenza di campo elettrici, dando la possibilità di memorizzare informazioni. L’esistenza dei fenomeni ferroelettrici era stata teorizzata già 80 anni fa, ma solo oggi abbiamo avuto la possibilità di osservare questo fenomeno sulla scala microscopica degli isteroni. 

Polarizzazione dielettirca, i materiali ferroelettrici riescono a mantenere la polarizzazione anche togliendo il campo esterno. La dinamica con uci si polarizzano è simile a quella dei domini di Weiss

Nel 1935 Franz Preisach ipotizzò l’esistenza degli isteroni, le unità di base analoghe dei domini di Weiss. Oggi Martijn Kemerink, dell’università di Linkoping, con uno studio pubblicato nella rivista Nature Communications ha pubblicato l’importante risultato che permetterò di costruire una nuova generazione di memorie per PC, prestanti, compatte ed affidabili, facendo di fatto un connubio tra tecnologia NAND e hard disk. 

L’allineamento degli isteroni può essere controllato tramite l’applicazione di campi elettrici esterni. Le proprietà dei materiali ferroelettrici permettono di mantenere l’orientazione, realizzando di fatto delle memorie. Il grande vantaggio è che controllare e misurare dei campi elettrici è molto più semplice rispetto a quelli magnetici – basta un transistor, anzi è sufficiente un pezzetto di metallo. Si potranno quindi ottenere delle memorie veloci, dense e compatte. Il modello matematico era pronto da anni, ma oggi finalmente ha trovato un riscontro pratico. Marco Salluzzo, dell’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Spin), spiega:

Finora non si era mai capito il meccanismo di questo modello. In questo caso, con lo studio di materiali organici, i ricercatori hanno capito che dipende da come le singole unità interagiscono tra di loro a livello microscopico. Avere compreso il meccanismo è importante per poter organizzare questi materiali in modo da aumentarne le prestazioni, per ottenere memorie per i computer più potenti o celle fotovoltaiche più efficienti.

La tecnologia deve essere ancora affinata prima di finire nei dispositivi, quindi se dovete cambiare le memorie per il vostro PC state tranquilli e date pure un’occhiata alle nostre guide. Se invece volete aspettare ulteriori novità continuate a seguire la nostra sezione scienza!