Studio di UniBicocca e MIT: verso dispositivi più efficienti e sostenibili

Computer, smartphone e data center del futuro potrebbero diventare più veloci ed efficienti, riducendo allo stesso tempo il consumo energetico. Un passo importante per raggiungere questo obiettivo arriva da una scoperta nel campo del magnetismo alla quale ha contribuito anche l’Università di Milano-Bicocca.

Il gruppo del Dipartimento di Scienza dei Materiali, guidato dalla professoressa Silvia Picozzi, ha infatti identificato un nuovo materiale, lo ioduro di nichel (NiI₂), che appartiene a una classe di materiali recentemente scoperta: quella degli altermagneti.

Lo studio, svolto in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston, è stato pubblicato su Nature, tra le più autorevoli riviste scientifiche internazionali.

Dall’altermagnetismo alla spintronica

La tradizionale teoria del magnetismo distingue tra materiali ferromagnetici - quelli con cui vengono realizzate le calamite -, in cui gli spin degli elettroni si ‘allineano’ generando una magnetizzazione non nulla al di sotto di una temperatura critica. E materiali antiferromagnetici, in cui gli spin degli elettroni su atomi vicini sono orientati nella stessa direzione ma con verso opposto, generando una magnetizzazione nulla.

I ferromagneti sono materiali ideali per applicazioni in spintronica – un’elettronica che sfrutta lo spin degli elettroni anziché la sola carica –, ma sono soggetti a campi magnetici ‘parassiti’, che limitano l’efficienza e la velocità dei dispositivi di interesse tecnologico.

Al contrario, gli antiferromagneti non sono soggetti a campi magnetici parassiti, ma presentano lo svantaggio di non essere facilmente controllabili con un campo magnetico esterno, poiché non possiedono una magnetizzazione netta.

Nel 2022 è stata identificata una terza forma di comportamento magnetico: l’altermagnetismo. Gli altermagneti si comportano in modo inedito, permettendo di superare i limiti di entrambe le classi tradizionali. In questi materiali, pur in assenza di una magnetizzazione complessiva, gli stati elettronici con spin opposto hanno energie differenti. Questa proprietà consente un controllo più efficace e preciso del comportamento magnetico.

Gli scenari: la riduzione dei consumi energetici

La possibilità di utilizzare questi materiali nella spintronica apre scenari concreti per lo sviluppo di dispositivi più precisi, veloci, miniaturizzabili e con consumi energetici molto ridotti.

Alcuni prototipi di memorie RAM spintroniche, ad esempio, hanno già dimostrato un risparmio energetico superiore al 95% rispetto ai dispositivi CMOS tradizionali. Un risultato rilevante se si considera che i data center rappresentano oggi oltre il 2% del consumo energetico globale.

Nel progetto, il gruppo dell’Università di Milano-Bicocca ha curato lo sviluppo teorico e le simulazioni numeriche, mentre il team del MIT ha condotto la caratterizzazione fisica del materiale.

I prossimi passi

Lo ioduro di nichel costituisce un importante sistema modello per lo studio degli altermagneti, ma al momento richiede temperature molto basse per esprimere le sue proprietà magnetiche e non è ancora utilizzabile nei dispositivi reali.

Il prossimo passo sarà quindi utilizzare le conoscenze acquisite su NiI₂ per progettare nuovi materiali altermagnetici stabili a temperatura ambiente, con l’obiettivo di rendere possibile la realizzazione di dispositivi elettronici a basso consumo e altissime prestazioni.