Una bussola che punta a ovest

In questa interazione, gli aghi della bussola atomica si orientano non solo in direzione nord-sud, ma anche in direzione est-ovest. "Dove puntano dipende da come sono orientati gli atomi nelle loro vicinanze", spiega Luo, primo autore dello studio, appena pubblicato sulla rivista "Science". Ad esempio, se un gruppo di atomi punta verso nord, il gruppo vicino punta sempre verso ovest. Se un gruppo di atomi punta a sud, gli atomi vicini si orientano verso est.

Questi orientamenti possono essere invertiti da campi magnetici o correnti elettriche, cioè da nord a sud e viceversa. I gruppi di atomi vicini si riorientano di conseguenza, da ovest a est o viceversa.

L'aspetto insolito è che questa interazione avviene lateralmente, cioè su un piano. Finora, accoppiamenti analoghi tra nanomagneti sono stati osservati solo in verticale, cioè con gruppi di atomi disposti l'uno sull'altro.

Il fenomeno osservato congiuntamente dai ricercatori del PSI e dell'ETH consente di sviluppare reti magnetiche in un piano. Ciò consente, tra l'altro, di produrre i cosiddetti antiferromagneti sintetici. In questi antiferromagneti, gruppi di atomi sono orientati verso nord o verso sud a intervalli regolari. Il numero di nanomagneti orientati in modo opposto è approssimativamente lo stesso, in modo che si neutralizzino a vicenda in totale. Per questo motivo gli antiferromagneti non sembrano magneti a prima vista: per esempio, non si attaccano alla porta del frigorifero.

Gli atomi vicini, rivolti a ovest o a est, fungono da distanziatori tra i magneti, che sono rivolti a nord o a sud e hanno dimensioni di pochi nanometri ciascuno. Ciò rende possibile, ad esempio, la costruzione di nuove memorie e interruttori per computer più efficienti, che a loro volta aumentano le prestazioni dei microprocessori.

Porte logiche per computer

I singoli nanomagneti, che sono diretti verso nord o verso sud, sono adatti per la costruzione delle cosiddette porte logiche. Un gate di questo tipo è un elemento costitutivo di un computer e funziona come una sorta di interruttore. I segnali entrano in queste porte e vengono poi elaborati in un segnale di uscita. In un computer, molte di queste porte sono collegate in rete per eseguire operazioni. Un componente informatico di questo tipo può essere costruito anche utilizzando nanomagneti che puntano verso nord o verso sud. Questi sono paragonabili agli attuali processori convenzionali con transistor, che elaborano i segnali in forma binaria, cioè tutti i segnali sono interpretati come zero o uno. Anche i nanomagneti orientati a nord o a sud possono farlo. Questo potrebbe rendere i microprocessori più compatti ed efficienti.

Secondo Pietro Gambardella, professore di Magnetismo e Fisica delle Interfacce presso l'ETH di Zurigo, che ha guidato questo studio insieme a Laura Heyderman, "il lavoro fornisce una piattaforma per progettare array di nanomagneti interconnessi e ottenere il controllo completamente elettrico di porte logiche planari e dispositivi di memoria".

I ricercatori hanno ottenuto i loro risultati in laboratorio e presso la sorgente di luce svizzera SLS del PSI.