Muri inerziali a elevata mobilità guidati dalla spin-transfer torque in un ossido spinello ferrimagnetico

Muri in corsa all’interno dei futuri chip di memoria

I dispositivi moderni dipendono da memorie che possono commutare rapidamente consumando il minimo di energia possibile. Questo studio esplora un materiale magnetico speciale in cui confini invisibili all’interno del magnete, chiamati pareti di dominio, possono essere spinti a velocità record da brevi impulsi elettrici. Capire e controllare queste piccole pareti in movimento potrebbe portare a memorie e circuiti logici più veloci e a funzionamento più freddo, in grado di immagazzinare e processare informazioni in modi nuovi.

Un nuovo tipo di pista magnetica

Gli ingegneri da tempo sognano la “memoria a pista”, dove i bit di informazione sono memorizzati come regioni magnetiche disposte lungo una striscia stretta e vengono spostati avanti e indietro invece di essere mossi fisicamente. La sfida è far scorrere queste regioni rapidamente usando correnti elettriche contenute. In questo lavoro, gli autori si concentrano su un ossido ferrimagnetico chiamato NiCo2O4, cresciuto come film ultrafine su un substrato cristallino. Questo materiale combina una magnetizzazione complessiva bassa con elevata conduttività elettrica e spin degli elettroni fortemente polarizzati, ingredienti che la teoria prevede possano permettere alle pareti di dominio di muoversi rapidamente con poca perdita di energia.

Osservare i confini magnetici nascosti

Prima di spingere le pareti, il team ha prima dovuto comprenderne la forma e la torsione interna. Hanno usato un sensore a scansione basato su un singolo difetto nel diamante per mappare i piccoli campi magnetici sopra il film con precisione nanometrica. Adattando queste mappe di campo, hanno scoperto che le pareti sono di tipo Bloch, il che significa che la magnetizzazione ruota lateralmente attraversando la parete. Le misure hanno anche mostrato che un’altra interazione che spesso deforma le pareti in una forma diversa è essenzialmente assente qui. Questa struttura della parete ben definita rende il moto più prevedibile quando si applica corrente.

Spingere le pareti con flussi elettrici delicati

Per guidare le pareti, i ricercatori hanno inviato brevi impulsi di corrente lungo strisce patternate del materiale e hanno osservato il moto risultante con un microscopio che rileva piccole variazioni nella luce riflessa. Hanno osservato pareti muoversi nella direzione della corrente con velocità superiori a un chilometro al secondo a una densità di corrente inferiore rispetto a molti materiali concorrenti. Ancora più sorprendente, le pareti cominciavano a muoversi a velocità chiaramente misurabili sotto correnti da uno a due ordini di grandezza più deboli di quelle tipicamente necessarie. Confrontando con cura il moto per direzioni opposte di corrente e campi magnetici, il team ha mostrato che le pareti sono mosse principalmente dalla spin-transfer torque, un processo in cui gli spin degli elettroni della corrente spingono la magnetizzazione locale.

Inerzia e moto efficiente alla scala nanometrica

Quando l’impulso di corrente termina, le pareti in questo materiale non si fermano istantaneamente. Al contrario, continuano a scivolare per circa un miliardesimo di secondo, segno che possiedono inerzia simile a quella di un piccolo oggetto dotato di massa. Variando la durata dell’impulso, i ricercatori hanno potuto osservare che impulsi più corti producono in realtà velocità medie più alte, perché gran parte del moto avviene dopo lo spegnimento dell’impulso. Questo comportamento ha permesso loro di stimare quanto rapidamente le pareti accelerano e rallentano, rivelando un tempo caratteristico di circa un nanosecondo, più breve rispetto ai valori osservati in molti ferromagneti. Da queste misure hanno anche estratto parametri che mostrano che la componente non-adiabatica della torque, particolarmente intensa nei sistemi ferrimagnetici, è insolitamente elevata in questo ossido.

Cosa significa per i dispositivi futuri

Mettere insieme questi risultati, NiCo2O4 si distingue come materiale in cui le pareti di dominio si muovono molto velocemente con correnti relativamente basse, e la loro inerzia e struttura interna sono ora comprese quantitativamente. Se confrontato con altri metalli e ossidi usati per dispositivi simili, questo ossido spinello offre un equilibrio interessante tra velocità e costo energetico per lo spostamento dei bit lungo una pista magnetica. Poiché supporta anche il controllo ottico con impulsi laser ultraveloci, questa classe di materiali spinello ferrimagnetici potrebbe sostenere future tecnologie di memoria e calcolo che combinano il controllo elettrico e ottico del magnetismo.

Citazione: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

Parole chiave: spintronica, moto delle pareti di dominio, ossido ferrimagnetico, spin transfer torque, memoria a pista