Scienza dei materiali
Controllare l’elettronica con la fotoeccitazione: la magnetite potrebbe aprire la strada a dispositivi di nuova generazione?
Aggiungi Securities.io alle tue fonti preferite su Google
Il potenziale della spintronica
Componenti elettronici come i transistor sono spesso realizzati in silicio. Nei circuiti digitali, gli zeri e gli uno sono rappresentati da stati elettrici. La spintronica sfrutta lo spin dell’elettrone, una sua proprietà quantistica, per elaborare, memorizzare e trasferire informazioni. Anche i dispositivi spintronici possono utilizzare corrente elettrica.
La spintronica ha alcuni vantaggi rispetto ai sistemi elettronici classici, tra cui, a seconda del dispositivo:
- Elaborazione e trasferimento rapidi dei dati in strutture appropriate.
- Possibilità di ridurre il consumo energetico, per esempio conservando i dati senza alimentazione continua.
- Impiego di metalli e materiali magnetici accanto ai semiconduttori.
La spintronica viene impiegata, per esempio, nelle testine di lettura dei dischi rigidi e ha contribuito ad aumentarne la capacità di memorizzazione.
Un materiale interessante per la ricerca spintronica è la magnetite, un ossido di ferro naturale contenente ferro in due diversi stati di ossidazione.
Fonte: Britannica
Le proprietà magnetiche della magnetite sono note da molto tempo, ma rimangono questioni aperte sulle sue proprietà elettriche e strutturali.
Ricercatori dell’EPFL, in Svizzera, hanno scoperto che gli impulsi laser possono generare nella magnetite stati fuori equilibrio prima sconosciuti. La scoperta potrebbe aprire nuove possibilità nello sviluppo di materiali elettronici.
Le proprietà nascoste della magnetite
I ricercatori hanno studiato la transizione metallo-isolante della magnetite, durante la quale, a bassa temperatura, cambiano la conducibilità elettrica e la struttura cristallina. Si tratta di una transizione di fase: le proprietà del materiale cambiano al variare delle condizioni esterne. Un paragone quotidiano è il congelamento dell’acqua, anche se nella magnetite non si verifica il passaggio da liquido a solido.
Lo studio ha utilizzato luce nel vicino infrarosso a 800 nm e luce visibile a 400 nm. Le due lunghezze d’onda hanno indotto stati metastabili fuori equilibrio differenti, che possono evolvere al variare delle condizioni.
Per osservare cambiamenti strutturali estremamente rapidi, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica della diffrazione elettronica ultraveloce (UED), che permette di seguire i movimenti atomici su scale temporali inferiori al picosecondo, pari a un millesimo di miliardesimo di secondo.
Cambiamento della configurazione spaziale
Nella fase isolante a bassa temperatura, la magnetite presenta un reticolo monoclino. La cella elementare ha tre spigoli di lunghezza diversa: due angoli sono retti, mentre il terzo è diverso da 90 gradi. Questa descrizione non vale per la magnetite a tutte le temperature.
Fonte: ACS
La luce a 800 nm ha provocato una contrazione del reticolo monoclino verso una struttura cubica. Il processo, articolato in tre fasi, ha prodotto una combinazione di regioni metalliche e isolanti, anziché una nuova fase metallica uniforme.
La luce a 400 nm ha invece dilatato il reticolo e rafforzato uno stato isolante monoclino più ordinato. La magnetite è un ossido, anche se la sua fase elettricamente conduttrice viene descritta come metallica.
Questi stati fuori equilibrio indotti dalla luce differiscono dai normali stati di equilibrio e aiutano a comprendere i meccanismi della transizione metallo-isolante.
Nuovi sistemi elettronici
La scoperta dimostra che si può intervenire sulle proprietà elettriche e strutturali della magnetite scegliendo la lunghezza d’onda degli impulsi laser.
Gli impulsi luminosi ultraveloci potrebbero quindi offrire un modo per controllare rapidamente lo stato del materiale. L’impiego in dispositivi informatici richiede ancora ricerca e sviluppo.
«Il nostro studio apre la strada a un nuovo approccio per controllare la materia su scale temporali ultraveloci mediante impulsi fotonici opportunamente progettati.
La possibilità di indurre e controllare fasi nascoste nella magnetite potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di materiali e dispositivi avanzati.
Per esempio, materiali capaci di passare rapidamente ed efficientemente tra stati elettronici diversi potrebbero essere utilizzati in dispositivi di calcolo e memoria di nuova generazione.»
Migliore memoria
La spintronica offre opportunità anche oltre i dischi rigidi, per esempio nelle memorie. Occorre tuttavia distinguere la ricerca sulla magnetite dalle strutture MRAM già commercializzate, che non utilizzano necessariamente questo materiale.
In alcune applicazioni, la memoria magnetica MRAM può sostituire o affiancare la DRAM. Tra i produttori di MRAM commerciali figura Everspin. Airbus è stata tra i suoi clienti. L’affidabilità e la resistenza alle radiazioni e alle variazioni di temperatura dipendono dal prodotto e dalle condizioni d’impiego.
La MRAM può ridurre il consumo energetico perché conserva i dati senza alimentazione continua. Il risparmio fino all’80% citato nell’articolo dipende dalle implementazioni confrontate e non riguarda tutte le memorie MRAM. L’impiego come memoria cache nei processori può inoltre contribuire a gestire ingombro e calore, ma i vantaggi dipendono dall’architettura.
Fotonica?
Il controllo della magnetite mediante laser richiama le possibilità della fotonica, affrontate nel nostro articolo sulle aziende che sviluppano alternative al calcolo basato sul silicio.
Un sistema che utilizza la luce per il calcolo potrebbe, in linea di principio, impiegare anche una memoria controllata otticamente, riducendo alcuni passaggi intermedi. Questo studio non dimostra però l’efficienza energetica di un intero sistema di calcolo e memoria basato sulla magnetite.
Aziende di spintronica
1. Everspin Technologies
MRAM Grafico dei prezzi
Everspin è nata nel giugno 2008 dallo scorporo delle attività MRAM di Freescale ed è stata quotata in borsa nell’ottobre 2016. Freescale è stata successivamente acquisita da NXP, il cui simbolo azionario è NXPI.
Everspin è tra le aziende di riferimento nella tecnologia MRAM e ha ereditato l’esperienza di Freescale, che nel 2006 ha commercializzato il primo chip MRAM.
Poiché conserva le informazioni anche in assenza di corrente, la MRAM trova impiego in applicazioni nelle quali la conservazione dei dati critici è particolarmente importante.
Secondo la previsione riportata da Everspin, applicazioni quali analisi dei dati, cloud computing terrestre e spaziale, intelligenza artificiale e IA periferica, compreso l’Internet industriale delle cose, avrebbero sostenuto una crescita annua composta del mercato delle memorie persistenti del 27,5% tra il 2020 e il 2030.
Fonte: Everspin
La società stimava che il mercato avrebbe raggiunto 7,4 miliardi di dollari entro il 2027: si tratta di una previsione, non di un risultato acquisito. Nel periodo descritto nell’articolo, Everspin non aveva debiti finanziari in essere e indicava un flusso di cassa libero positivo dal 2021.
I prodotti MRAM di Everspin occupavano una nicchia ancora limitata ma in crescita, in settori dove l’affidabilità è essenziale, tra cui aerospazio, satelliti, registratori di dati e dispositivi di monitoraggio dei pazienti.
Fonte: Everspin
La crescita dei chipset, dell’intelligenza artificiale e dei sistemi sinaptici potrebbe offrire ulteriori opportunità nel lungo periodo.
2. NVE Corporation
NVEC Grafico dei prezzi
Un’altra azienda attiva nella spintronica è NVE: il suo primo brevetto relativo alle memorie magnetoresistive risale al 1993.
Produce sensori spintronici e isolatori, utilizzati in sistemi di misura e rilevamento per automobili, ingranaggi, dispositivi medici, alimentatori e altre apparecchiature industriali.
Fonte: NVE
NVE si rivolge quindi soprattutto ad applicazioni industriali di misura e isolamento, mentre Everspin è maggiormente concentrata sulle memorie. Nel settore MRAM sono attive anche aziende come Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba e Samsung, che sviluppano a loro volta prodotti MRAM.
Queste differenze possono influire sull’interesse dei due titoli per diversi profili d’investimento. Il dividendo di NVE può interessare chi cerca reddito, ma non elimina i rischi legati all’azienda, alla valutazione e al mercato azionario.
