Il laser disegna paesaggi magnetici personalizzati

A volte si possono ottenere risultati sorprendenti utilizzando strumenti convenzionali in modo nuovo. Questo è stato anche il caso dei ricercatori che hanno utilizzato l'apparecchiatura laser ad alta tecnologia nella camera bianca del PSI per qualcosa a cui non era destinata. L'apparecchiatura era stata originariamente acquistata per la fotolitografia, un processo per la produzione di minuscole strutture 2D. Normalmente, il laser irradia una fotoresistenza con diverse intensità di luce, creando così diversi livelli di esposizione, noti anche come scale di grigio. La litografia a scala di grigi crea un rilievo tridimensionale che può essere trasferito sul materiale desiderato. Un'importante area di applicazione di questa tecnologia è la moderna micro-ottica, che può essere utilizzata per produrre lenti per gli smartphone, ad esempio.

"Usiamo questo strumento per qualcosa di diverso dal suo scopo originale", spiega Aleš Hrabec: "Lo usiamo per creare cambiamenti bidimensionali e continui nelle proprietà magnetiche dei materiali, che sono importanti per una varietà di applicazioni". Hrabec è uno scienziato del gruppo di ricerca sui sistemi mesoscopici, che è diretto da Laura Heyderman e fa parte del PSI e del Politecnico di Zurigo. I ricercatori definiscono mesoscopici i sistemi di lunghezza pari a pochi micrometri. A titolo di confronto, un capello umano ha un diametro di circa 100 micrometri, il che lo rende molto più grande.

Un'idea folle che funziona

Se si desidera modificare le proprietà di un materiale magnetico, è possibile riscaldarlo in un forno, ad esempio. In questo modo, però, si modifica l'intero campione. Nella loro ricerca di un metodo per modifiche localmente limitate, i ricercatori del PSI hanno avuto l'idea di inserire una sottile pellicola di materiale magnetico senza fotoresistenza nel dispositivo litografico esistente. "Era un'idea folle, quindi sono stata molto sorpresa che abbia funzionato subito", dice Lauren Riddiford, postdoc del gruppo Mesoscopic Systems: "Quando abbiamo osservato il contrasto magnetico con un microscopio speciale, abbiamo potuto vedere immediatamente i continui cambiamenti nelle proprietà magnetiche".

In linea di principio, il laser agisce come una fornace, ma il suo effetto modifica le proprietà magnetiche con precisione millimetrica. Il laser viene utilizzato per scansionare la superficie del campione di materiale e modulare l'intensità della luce come richiesto. In questo modo, vengono riscaldate aree molto piccole, delle dimensioni di appena 150 nanometri. Il processo si chiama "ricottura laser a scrittura diretta", o DWLA. Il riscaldamento mirato può modificare localmente un materiale, ossidandolo, cristallizzandolo o legando due metalli. Ciò può modificare la forza o la dipendenza direzionale della magnetizzazione e influenzare l'interazione nello strato limite tra due materiali.

L'approccio locale e graduale può creare i cosiddetti gradienti di proprietà magnetiche in modo unico, che possono assumere qualsiasi forma desiderata. In precedenza, era possibile fabbricare solo gradienti laterali e unidimensionali di tali proprietà del materiale. Ora sono possibili cerchi, spirali o forme ancora più complesse, come dimostra Riddiford con un video che mostra la creazione di una struttura magnetica a forma di fiocco di neve. "Quando applichiamo un campo al campione lavorato, la magnetizzazione al centro cambia direzione, passando dall'alto verso il basso. Se il campo diventa più forte, questa commutazione si diffonde radialmente", spiega il ricercatore. Nelle aree intorno al fiocco di neve, il materiale è stato riscaldato a sufficienza con il laser per garantire che non fosse più magnetico.

Più veloce, più efficiente e più sicuro

Tuttavia, i ricercatori non puntano solo a belle immagini, ma ad applicazioni concrete, ad esempio nella tecnologia di archiviazione dei dati. Da tempo si utilizzano piccoli magneti per memorizzare i dati sui dischi rigidi dei computer. A seconda della direzione in cui punta il polo di un magnete, questo corrisponde a un uno o a uno zero, cioè al valore di un bit. Sopra il disco rigido rotante si trova una bobina che legge e scrive le informazioni utilizzando un campo magnetico. "Con la nostra tecnica, vogliamo scoprire quali materiali e proprietà magnetiche sono più adatti per la produzione di memorie che non hanno più parti in movimento e non richiedono l'uso di campi magnetici", spiega Jeffrey Brock, anche lui postdoc nel gruppo Mesoscopic Systems.

Grazie ai continui cambiamenti delle proprietà magnetiche del supporto di memorizzazione, non è necessario alcun campo magnetico per modificare la magnetizzazione dei bit. Per scrivere e leggere le informazioni si può utilizzare una corrente elettrica. Elementi di memorizzazione di questo tipo esistono già. "Tuttavia, riteniamo che il nostro approccio per modificare localmente le proprietà del materiale sia molto più semplice e veloce delle tecnologie attualmente utilizzate per generare tali modelli", spiega Brock. I dispositivi di memorizzazione dei dati che vengono commutati con l'elettricità sono più veloci e si possono memorizzare più dati in uno spazio più piccolo. I ricercatori intendono applicare questa tecnologia anche a una speciale classe di materiali noti come antiferromagneti sintetici. Ciò renderebbe l'archiviazione dei dati più permanente e sicura, poiché questo materiale è immune a un campo magnetico esterno.

Calcolo e archiviazione sullo stesso chip

Un'altra possibile applicazione è il cosiddetto in-memory computing: l'elaborazione e l'archiviazione dei dati avvengono su uno stesso chip. Negli attuali dispositivi elettronici, i dati vengono costantemente trasportati avanti e indietro tra il processore veloce e l'unità di memoria molto più lenta, con un notevole dispendio di tempo ed energia. L'uso di un singolo chip velocizzerebbe enormemente l'accesso ai dati.

Quattro anni fa, una collaborazione di ricerca del PSI e del Politecnico di Zurigo è riuscita per la prima volta a eseguire operazioni logiche in un materiale magnetico in cui i dati possono anche essere memorizzati allo stesso tempo - un'invenzione che è stata anche brevettata. Tuttavia, il materiale utilizzato finora non è adatto ai processi di fabbricazione comunemente usati oggi nell'industria dei chip. "Speriamo di poter utilizzare la tecnologia laser per produrre un materiale magnetico compatibile con questi processi standard", afferma Hrabec.

Un altro nuovo campo di ricerca è l'informatica neuromorfa, un tipo di elaborazione dei dati ispirato al cervello e alla rete di cellule nervose, cioè i neuroni. Ad esempio, piccoli magneti in diverse configurazioni dovrebbero interagire tra loro come i neuroni della loro rete. "Il cervello non è fatto di un materiale semplice", spiega Hrabec: "Per questo motivo non si può usare a questo scopo un sottile strato di un singolo materiale magnetico come il cobalto, ma serve qualcosa di più complesso". Un compito ideale per la nuova tecnologia laser, che può essere utilizzata per creare qualsiasi paesaggio magnetico.

Hrabec è convinto che il lavoro del team di ricerca aprirà molte altre applicazioni, ad esempio nel campo della sensoristica o della fotonica, dove la luce viene utilizzata per trasmettere informazioni. Il riscaldamento laser e la cristallizzazione del materiale possono essere utilizzati per modificare l'indice di rifrazione e quindi le proprietà ottiche di un materiale. Il grande vantaggio della ricottura laser è che l'apparecchiatura utilizzata è un dispositivo commerciale già disponibile in molti laboratori del mondo. Non richiede il vuoto o altre condizioni speciali. Inoltre, può realizzare in pochi secondi ciò che richiederebbe ore in un forno. "La grande forza di questa tecnologia è che è economica, veloce e facilmente disponibile", riassume Hrabec.