MEGACHIROTTERA: SPINTRONICA

sabato 26 ottobre 2019

SPINTRONICA

Stimolata dal DARPA continua a dare una rotazione sulla fisica degli elettroni fondamentali

Di Ivan Amato

In una giornata di fine estate del 1995, Stuart Wolf arrivò a lavorare presso la Advanced Research Projects Agency con un armadio di memoria da 40 libbre, indurito dalle radiazioni, che gli ingegneri del Naval Center for Space Technology (NCST) avevano tolto da un satellite che stavano assemblando presso il laboratorio di ricerca navale (NRL). In realtà l'ho "messo in una scatola, e l'ho portato alla DARPA", ha ricordato Wolf, un fisico che stava dividendo il suo tempo come manager del programma all'ARPA (presto per ottenere una "D" per la difesa di fronte al suo acronimo) e scienziato dei materiali all'NRL. Aiutò il fatto che Wolf fosse amico del direttore dell'NCST, che gli permise di prendere in prestito la scatola di memoria da 128 kilobyte da un quarto di milione di dollari.

"Ho lasciato cadere la memoria sulla scrivania di Gray Denman", ha detto Wolf, riferendosi al direttore dell'ARPA in quel momento. "Gli ho promesso che avrei sostituito quella memoria con un chip che pesava una frazione di oncia. Ha approvato 30 milioni di dollari, durante quell'incontro, per iniziare questo programma", ha detto Wolf durante un'intervista all'inizio di quest'anno presso la sede della DARPA ad Arlington, Virginia.

Quello fu il momento in cui il programma Magnetic Materials and Devices passò da una idea negli occhi di un manager del programma, al primo di una serie di programmi DARPA ben finanziati che in seguito sarebbero stati riconosciuti come centrali in uno dei grandi archi della fisica-tecnologia dei nostri tempi.

Entro un anno da quel momento, una sinergia di fisici, scienziati dei materiali, ingegneri elettronici, scienziati informatici e altri si unirono a una nuova comunità di ricerca scientifica e sviluppo tecnologico nata dalle scoperte più fondamentali sul comportamento elettronico con radici che si estendevano nel XIX secolo, noto storico della tecnologia Patrick McCray dell'Università della California, Santa Barbara. Nel contesto dello spazio, la promessa di una tecnologia di memoria più piccola potenzialmente significava anche una tecnologia più leggera e meno energetica, il che potrebbe equivalere a una cosiddetta vittoria di SWaP, in cui SWaP si traduce in "Dimensioni, Peso e Potenza".

Per molti programmi DARPA e le loro tecnologie proposte, la misura più bassa di ciascuno di questi tratti è stata spesso la metrica del successo.

Nel pianificare la revisione del primo anno del programma, Wolf ebbe un incontro che aveva una rara combinazione di essere scientificamente spot-on e relazioni pubbliche d'oro. Anziché utilizzare il nome oscuro del programma - Materiale magnetico e dispositivi - per identificare la recensione, Wolf si è dilettato su quello che allora era uno degli argomenti più importanti del campo, un insieme di fenomeni noti come elettronica di trasporto di spin. Wolf ha abbreviato quella frase basata sulla meccanica quantistica in spintronica, che ha usato nel nome della revisione del programma.

Il neologismo di Wolf prese piede, diventando il nome che rimase per un'ampia gamma di comportamenti e tecnologie basati sugli elettroni, nonché il campo dedicato al loro studio e sviluppo.

Prima per alcuni della fisica di base. Nel 1857 William Thompson (un fisico nato a Belfast noto più regalmente come Lord Kelvin) osservò che un campo magnetico poteva causare cambiamenti nella resistenza di un conduttore elettrico, un fenomeno che divenne noto come magnetoresistenza. Centocinquanta anni dopo, nel 2007, Albert Fert e Peter Grünberg hanno condiviso un premio Nobel per la fisica per le loro scoperte indipendenti nel 1988 di quella che divenne nota come magnetoresistenza gigante (GMR). Nei rispettivi laboratori in Francia e Germania, i ricercatori hanno entrambi inaspettatamente osservato grandi effetti di magnetoresistenza nei materiali costituiti da strati alternati di metalli magnetici e non magnetici.

Il linguaggio dello "spin" entra in tutto questo perché il magnetismo dipende da un tratto elettronico tanto fondamentale quanto la sua carica elettrica ma che i giganti della meccanica quantistica dell'inizio del 20° secolo - tra cui Paul Dirac e Wolfgang Pauli - pensavano più come una filatura superiore.

Nella struttura della meccanica quantistica, un elettrone può ruotare in una delle due direzioni. Materiali come ferro e nichel, i cui elettroni più esterni possono assumere spin orientati principalmente in una direzione a causa di un'interazione fondamentale tra loro (interazione di scambio) sono magnetici. Oro, argento, legno e la maggior parte dei polimeri non sono magnetici.

Nel giro di pochi anni dai primi rapporti GMR alla fine degli anni '80, Stuart Parkin e i suoi colleghi, che lavoravano all'IBM Almaden Research Center vicino a San Jose, in California, avevano sfruttato l'effetto GMR per un'invenzione che chiamavano "valvola di spin . ”E nel 1997, IBM ha implementato il primo utilizzo di sensori spin-valve nella testina di lettura del suo disco rigido Deskstar 16GP Titan da 16 GB. Negli anni successivi, la tecnologia ascenderà allo stato di successo, diventando il cavallo di battaglia del settore della memorizzazione di dati da svariati miliardi di dollari.

Airman 1st Class Nick Fazio verifica lo stato e la configurazione del 96° equipaggiamento del data center del Communications Squadron presso la base aeronautica di Eglin, in Florida. Circa 40 aviatori e civili sono responsabili della connettività degli oltre 19.500 centri di lavoro degli utenti della base. La ricerca spintronica di DARPA ha consentito tecnologie trasformative che oggi sono diventate la spina dorsale della memorizzazione dei dati.

Come i materiali GMR vincitori del Premio Nobel di Grünberg e Fert, il team IBM ha realizzato le sue valvole di "spinatura" da una coppia di sottili strati magnetici che fiancheggiano uno strato non magnetico. Uno degli strati magnetici ha avuto un momento magnetico (una misura dell'effetto magnetico netto degli orientamenti dei numerosi elettroni di un materiale) che è stato bloccato in una data direzione o "fissato" e l'altro aveva un momento magnetico "libero" che poteva essere capovolto. Quando i momenti magnetici degli strati esterni in queste strutture GMR si allineano nella stessa direzione, gli elettroni si muovono tra loro con meno resistenza (una valvola di spin aperta) rispetto a quando i momenti degli strati non sono allineati (una valvola di spin chiusa). Poiché anche campi magnetici sottili, come quelli di minuscoli bit codificati magneticamente su un disco di memorizzazione, possono attivare o disattivare il momento magnetico dello strato magnetico "libero" di una valvola di spin, queste strutture GMR sono state promettenti per le nuove generazioni di materiali testati che potrebbero leggere i dati memorizzati a densità molto più elevate rispetto a prima. A differenza dei metodi di fabbricazione squisitamente controllati ma poco pratici che i Nobelisti usavano per produrre i loro materiali GMR, Parkin e il suo team IBM fin dall'inizio avevano in mente materiali GMR realizzati con tecniche di "sputtering" più facili che i loro fratelli di produzione potevano facilmente applicare su scala industriale.

Nei primi anni di Wolf all'ARPA, a partire dalla fine del 1993, l'agenzia gestiva un programma ben finanziato di "doppio uso" chiamato Technology Reinvestment Program (TRP), che l'amministrazione Clinton aveva iniziato un anno prima per stringere collaborazioni più forti tra militari e settori commerciali di ricerca e sviluppo. Questa controversa posizione politica nei confronti della tecnologia è stata un fattore che ha permesso a Wolf di ottenere facilmente $ 5 milioni di denaro da "seminare" per organizzare quello che ha chiamato il Consorzio GMR. I suoi membri andavano da grandi e consolidate organizzazioni di ricerca come Honeywell e NRL a start-up agili come l'elettronica non volatile.

L'obiettivo del biennio del consorzio era identificare traiettorie tecnologiche basate GMR che potrebbero avere un impatto, forse in entrambi i contesti di difesa e civili, e nel 1995 il verdetto del consorzio è stato: la ricerca GMR potrebbe produrre una serie di nuovi sensori di campo magnetico ma, soprattutto, un nuovo tipo di memoria - memoria magnetoresistenza ad accesso casuale (MRAM). Per prima cosa, la base magnetica - piuttosto che la base di ricarica - della tecnologia di archiviazione ha aperto la strada alla memoria che sarebbe stata mantenuta anche quando l'alimentazione a un computer o dispositivo di archiviazione veniva interrotta. Per un altro, MRAM ha promesso un funzionamento istantaneo del computer che avrebbe aggirato la necessità allora standard di avviarsi trasferendo le informazioni da un disco rigido ai chip del computer acceso. Fondamentalmente per scopi di difesa nazionale, i dispositivi MRAM potrebbero anche essere "rad-hard" rispetto ai chip RAM basati su semiconduttori e quindi meno vulnerabili ai danni da radiazioni in luoghi come lo spazio. Inoltre, la ricerca MRAM sembrava una buona scommessa per vincere un significativo progresso SWaP nella tecnologia della memoria.

Jon Slaughter faceva parte di un gruppo di ricerca di semiconduttori presso Motorola che ha iniziato presto la spinta DARPA per la nuova tecnologia MRAM. Inizialmente, il suo team si è concentrato su un tipo di struttura GMR in cui gli elettroni hanno viaggiato tra i due strati magnetici attraverso un percorso conduttivo. Ma presto si resero conto che la strada da percorrere, quella che IBM aveva già adottato, era con il cosiddetto "tunnel magnetoresistente" (TMR). In questo processo, gli elettroni si muovono tra i due strati magnetici "scavando" attraverso uno strato isolante intermedio in quel misterioso senso quantico-meccanico. "Questo è strabiliante", ha detto Slaughter, "perché gli elettroni non sono mai nell'isolante."

Una testina di lettura del disco rigido con un'operazione basata su spintronica che consente di leggere i dati memorizzati ad alta densità.

Straordinario sì, e un colpo di stato commerciale da avviare. Slaughter afferma che il suo team, lavorando su quello che è stato definito all'interno dell'azienda come "Progetto Panther", ha identificato una variazione sul tema della TMR, chiamata commutazione a levetta, come la tecnologia su cui "scommettere la fattoria". Nel 2004, Motorola ha lanciato la sua vasta operazione di semiconduttori Freescale (compresa la sua ricerca MRAM) come entità indipendente e due anni dopo Freescale è diventata la prima azienda al mondo a vendere un prodotto MRAM: un chip MRAM da 4 Mb basato sulla commutazione. All'epoca Freescale non aveva un'attività di memoria e non stava investendo in nuovi mercati, ha detto Slaughter in un'intervista. Quindi, con l'aiuto di altri membri della comunità, ha attratto capitali di rischio sufficienti per lanciare nel 2008 quella che allora era la startup MRAM Everspin Technologies.

Un decennio dopo Slaughter è il direttore della ricerca e dello sviluppo e, secondo il sito Web della società, 70 milioni dei suoi prodotti MRAM sono distribuiti "nei mercati di data center, cloud storage, energia, industriale, automobilistico e dei trasporti".

La base magnetica - piuttosto che la base di carica - della tecnologia di archiviazione ha aperto la strada alla memoria che sarebbe stata mantenuta anche quando l'alimentazione a un computer o dispositivo di archiviazione fosse interrotta.

"La gente non se ne rende conto, ma MRAM è là fuori", ha detto Slaughter. In una svolta poetica, il processo su cui Everspin fa affidamento per i suoi prodotti MRAM radic-hard dipende dal silicio rad-hard fornito da Honeywell, che era l'altra grande azienda - oltre a IBM e Motorola - che l'agenzia ha finanziato nell'ambito del programma Magnetic Materials and Devices.

Pochi anni dopo quel programma pionieristico, due scoperte fisiche fondamentali hanno ampliato la già ricca visione della spintronica. Un team di ricercatori giapponesi ha scoperto di poter utilizzare un campo elettrico - piuttosto che un campo magnetico - per indurre il magnetismo in un materiale semiconduttore (arsenuro di manganese al gallio), sebbene necessitasse di raffreddare il materiale a 150 K (-123 Celsius). Nello stesso lasso di tempo 1997-1998, il fisico e scienziato dei materiali David Awschalom e colleghi dell'Università della California di Santa Barbara (UCSB) dimostrarono che anche loro potevano indurre magnetismo in un materiale semiconduttore (arsenuro di gallio), ma lo fecero con un laser.

"Queste due scoperte mi hanno dato l'idea che potrebbe esserci un nuovo programma DARPA per esplorare come sfruttare questi due effetti", ha detto Wolf. Tale idea divenne, nel 1998, il programma Spins in Semiconductors (SPINS), che beneficiava anche della disponibilità di denaro TRP. Un obiettivo di questo programma per lo più di scienza fondamentale era scoprire materiali semiconduttori come l'arsenuro di manganese al gallio, ma in cui il magnetismo poteva essere indotto con un campo elettrico alla temperatura semplicemente fredda di 273 K anziché un freddo di 150 K. Circa un terzo dei fondi del programma hanno sottoscritto quello che allora era un obiettivo ancora speculativo del calcolo quantistico basato su "qubit", che sono entità fisiche come ioni isolati o nanostrutture di semiconduttori a cristallo ben ingegnerizzate che possono incarnare una sovrapposizione di uno canonico e di stati zero (e forse molti più stati) allo stesso tempo. Ciò è stato guidato dalla sorprendente scoperta del gruppo Awschalom presso l'UCSB che la luce poteva creare e controllare stati quantici coerenti della materia (affini alle onde di luce o alle onde meccaniche le cui fasi possono essere disposte deliberatamente) sulla base di spin di elettroni e che gli ingegneri potevano usare questi stati quantistici per nuovi tipi di elaborazione delle informazioni. Inoltre, il gruppo UCSB ha scoperto che potrebbe passare a semplici "cancelli elettrici" per trasportare questi stati quantici attraverso centinaia di micron nei semiconduttori, una distanza piuttosto lunga in questi contesti.

Poiché questa ricerca di qubit si stava verificando nel contesto specifico della spintronica (stati di spin elettronici), tuttavia, diversi uffici DARPA si sono uniti e hanno ampliato la ricerca di incarnazioni fisiche di qubit avviando un ambizioso programma: Quantum Information Science and Technology (QUIST) da 100 milioni di dollari. Dal 2001 al 2005, il programma ha anche supportato la ricerca di nuovi algoritmi per il calcolo con qubit.

Awschalom, ora all'Università di Chicago, ha abbracciato queste immersioni particolarmente profonde e speculative nella fisica quantistica degli spin degli elettroni. "DARPA era in gran parte responsabile del lancio dei campi della spintronica dei semiconduttori e della spintronica quantistica, quest'ultima delle quali ha anche contribuito a guidare l'area emergente dell'informatica quantistica", ha affermato. "Questa era una scienza ad alto rischio e, al momento, non era ovvio che la fisica e l'ingegneria sottostanti avrebbero funzionato così bene."

"Lo sviluppo in MRAM ha richiesto molto tempo", ha osservato Wolf. "È iniziato nel 1995, ma non ha portato a una tecnologia commerciale fino al 2006." Questo in realtà sta bene contro i diversi decenni che servono comunemente per sviluppare scoperte scientifiche in tecnologia fruibile. Il percorso a tal fine nell'avventura della MRAM illustra ciò che, dal punto di vista istituzionale della DARPA, è una sequenza ideale di eventi: la ricerca fondamentale, la tecnologia di prova di concetto, la tecnologia avanzata con conseguenze sulla difesa nazionale. Il risultato finale è stato il DARPA completo, in questo caso un chip MRAM rad-hard, che era più economico, più capace, più efficiente dal punto di vista energetico e minuscolo rispetto alla precedente tecnologia di archiviazione basata sullo spazio.

Sebbene IBM, uno dei tre principali appaltatori originali del programma MRAM, fosse già stato nel settore dello storage dei dati basato sulla spintronica dalla metà degli anni '90 con la sua tecnologia spin-valve, la società ha continuato a spingere in avanti la tecnologia di archiviazione basata su altri sviluppi spintronics, come l'invenzione della TMR, il fenomeno che avrebbe portato Everspin sulla strada del successo. Qui, un isolante sottile sostituisce il semiconduttore tra gli strati magnetici in un dispositivo GMR tradizionale. Ciò si traduce in un segnale di magnetoresistenza 100 volte più forte di quello di una valvola di spin. Un articolo del New York Times dell'11 settembre 2007, ha accreditato la tecnologia GMR fino a quel momento - oltre un decennio fa - con la realizzazione di "iPod audio e video di consumo, nonché data center in stile Google", una realtà."

"DARPA era in gran parte responsabile del lancio dei campi della spintronica dei semiconduttori e della spintronica quantistica, quest'ultima delle quali ha anche contribuito a guidare l'area emergente dell'informatica quantistica ... Questa era la scienza ad alto rischio e, all'epoca, non ovvia che la sottostante fisica e ingegneria funzionassero così bene."

Ogni nuova tecnologia nasconde i semi della propria obsolescenza. Anche durante i primi programmi di spintronica della DARPA, i ricercatori sapevano che con il tempo avrebbero eliminato tutta la capacità tecnologica dai materiali e dalle strutture spintroniche che stavano sviluppando quanto era fisicamente e praticamente possibile. Sapevano che sarebbero stati in grado di progettare frammenti di memoria magnetici sempre più fini nelle strutture GMR, ma sapevano anche che, così facendo, quei bit sarebbero diventati sempre più vulnerabili agli effetti di commutazione casuali a causa delle fluttuazioni termiche. La dimensione alla quale questa limitazione frammentaria avrebbe ostacolato ulteriori progressi nella tecnologia MRAM era di circa 50 nanometri (nm), o circa il doppio del diametro di un virus della poliomielite. Per ambiziosi tecnologi della memoria, anche quello è troppo grande.

È qui che è emersa la dimostrazione sperimentale nei primi anni 2000 di un gruppo sostenuto dalla DARPA alla Cornell University guidata da Robert Buhrman di un altro fenomeno spintronico, il trasferimento della coppia di spin. Predetto teoricamente da altri ricercatori di IBM e Carnegie Mellon, questo fenomeno ha fornito la via per superare ciò che altrimenti potrebbe essere stato un punto morto per densità di archiviazione più elevate. Se le dimensioni dei bit MRAM dovessero ridursi oltre le dimensioni sub-virali, Wolf ha detto, "le persone sapevano che la commutazione avrebbe dovuto passare dalla commutazione del campo magnetico alla commutazione della coppia di spin", che si basa sulla corrente elettrica condizionata in modo che gli spin gli elettroni costituenti si allineano. Tale allineamento o mancanza di esso - afferma che può essere controllato - consente alla corrente elettrica di imitare l'effetto di un campo magnetico, compresa la capacità di esercitare una coppia meccanica. Ciò significava che la corrente poteva fungere da innesco di commutazione nelle strutture GMR. Ciò ha aperto percorsi intelligenti attorno a un ostacolo che si trovava di fronte ai designer di MRAM. Man mano che i pezzi magnetici si restringevano, dovevano essere fatti di materiali che erano più difficili da scambiare a causa del problema di confusione termica. Passando al fenomeno della coppia di spin, gli ingegneri sarebbero in grado di applicare forze di commutazione sufficienti per capovolgere i bit magnetici più piccoli ma difficili da commutare.

Everspin, la società che ha realizzato i primi chip MRAM commerciali al mondo basati in parte sulla tecnologia emersa dal programma MRAM, sta ora effettuando il trasferimento della coppia di spin MRAM. "Quindi MRAM ha impiegato diversi anni a corto di vapore, ma poi abbiamo avuto una soluzione per scalare oltre", ha dichiarato Wolf. "Questa è stata una grande scoperta all'interno dei nostri programmi di spintronica." Il gruppo Buhrmans ha anche aperto la strada al lavoro nell'oscillazione della coppia di spin, un sottile fenomeno che gli ingegneri devono ancora sfruttare ma, ha detto Wolf, "potrebbe anche portare a una rivoluzione nell'elaborazione e nel calcolo del segnale. "Le stesse nano-oscillazioni" potrebbero trovare applicazioni nei filtri a radiofrequenza (RF), minuscole sorgenti RF e una nuova tecnica di riconoscimento dei modelli.

IN ALTO: I wafer con tecnologia spintronica, come questo esemplare colorato di Everspin Technologies, ospitano una moltitudine di matrici di memoria ad accesso casuale (MRAM) magnetoresistive prima che vengano tagliate a cubetti e confezionate in singoli chip MRAM.SOTTO: Gli Skyrmions sono strutture multielettroniche a forma di vortice che capovolgono gli stati solo come un'unità, conferendole con maggiore stabilità rispetto alle organizzazioni di elettroni più semplici.

Oggi, la ricerca di svelare ancora più magia tecnologica negli spin elettronici continua in DARPA. Nel 2017, la Program Manager Rosa Alejandra “Ale” Lukaszew ha lanciato il suo programma Topological Excitations in Electronics (TEE), in cui l'obiettivo è trovare ancora nuovi approcci per ridurre i domini magnetici basati su spin di elettroni mantenendo la loro resistenza al cambio casuale dovuto al fluttuazioni. Lukaszew ha sfidato i ricercatori (DARPA li chiama "performer") nel programma a concentrarsi sugli skyrmions, che sono strutture multielettroniche a forma di vortice che capovolgono gli stati solo come unità. Questi tratti conferiscono agli skyrmions una maggiore stabilità rispetto alle organizzazioni di elettroni più semplici. Lukaszew immagina che la memoria basata su skyrmion potrebbe, secondo le sue parole, "offrire la possibilità di una densità di archiviazione 100 volte maggiore a una potenza 10 volte inferiore, pur essendo ugualmente stabile e radicale come la tecnologia di oggi" rispetto ad altre memorie basate su spintronica. Questo è il tipo di salto tecnologico che potrebbe mettere molta più potenza di elaborazione nelle mani di un soldato senza chiedergli di portare più peso della batteria. Sta parlando di SWaP qui. Lukaszew ha dichiarato: "Voglio creare una comunità di esperti che trovi materiali in grado di farlo".

Fare salti, piuttosto che fare passi, è sempre stato l'ideale DARPA. "DARPA è stato un enorme acceleratore" per la spintronica, ha affermato Slaughter. "È arrivato al momento giusto, proprio quando gli sviluppi scientifici hanno reso sensato" per gli sviluppatori di tecnologia ben posizionati nel settore dei semiconduttori avanzare su nuovi prodotti come MRAM. Le increspature degli investimenti della DARPA e la costruzione della comunità in spintronic continuano ad espandersi.

"Gran parte del potenziale deve ancora essere realizzato", ha detto Slaughter, sottolineando come esempio che le migliori fonderie di semiconduttori del mondo stanno pianificando di incorporare la MRAM direttamente nei chip del processore per creare "sistemi su un chip". Detto Slaughter, "i giorni migliori di MRAM devono venire."