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Grafene e spintronica nel futuro dell'informatica: oltrepassata la Legge di Moore?

La spintronica si sta facendo sempre pių strada nel mondo dell'elettronica e dell'informatica. Ecco come potrebbe aiutare a superare la Legge di Moore
Grafene e spintronica nel futuro dell'informatica: oltrepassata la Legge di Moore? FASTWEB S.p.A.

Che la legge di Moore, cioè quella legge che teorizza il raddoppio del numero dei transistor dei chip di alta gamma ogni 18 mesi, sia ormai quasi superata è ormai cosa nota e accettata un po' da tutti nel settore dei processori informatici. Il problema è altrettanto noto: siamo vicini ai limiti teorici che impediscono di evolvere ulteriormente il processo produttivo dei processori e, di conseguenza, di "impacchettare" più transistor nello stesso minuscolo spazio.

Il limite teorico ipotizzato, infatti, è quello del processo produttivo a 3-5 nm, mentre oggi siamo già a 7 nm. La soluzione? Sostituire i transistor con qualcosa di diverso, ad esempio dei materiali bidimensionali basati sul grafene, e passare dall'elettronica classica alla "spintronica".

Cosa vuol dire spintronica

spintronica

Il termine spintronica è un neologismo derivante da "Spin Electronics", cioè elettronica basata sugli "spin". Lo spin è una caratteristica delle particelle elementari, come gli elettroni, e, nel caso di questi ultimi, essa può assumere solo due valori: uno positivo ed uno negativo. Di conseguenza lo spin di un elettrone è decisamente utile per sostituire lo stato "acceso/spento", tipico di un transistor, impiegato nell'elaborazione del codice binario, ovvero quello dei comuni computer. La spintronica è una branca moderna dell'elettronica, ma alcuni dispositivi che si basano sui suoi principi sono già allo studio.

Esistono già, ad esempio, delle memorie "MRAM", ossia Magnetoresistive Random Access Memory. Si tratta di memorie ad accesso casuale, non volatili (quindi le informazioni non si perdono quando si stacca l'alimentazione), che non funzionano con la carica elettrica ma con il campo magnetico, che viene modificato tramite l'effetto "Spin-transfer torque". Si basano sulla spintronica anche molte delle testine magnetiche usate sui normali hard disk e diversi tipi di sensori usati nell'industria automotive.

Spintronica al grafene

grafene

Il grafene è un materiale di sintesi, che non esiste in natura: è un sottilissimo strato bidimensionale di atomi di carbonio. Ciò vuol dire che è un reticolo di atomi spesso un solo atomo, non c'è alcuna profondità. Il grafene è resistente come il diamante, flessibile come la plastica e caratteristiche simili a quelle di un semiconduttore.

Nel 2007 i ricercatori Nikolaos Tombros, Csaba Jozsa, Mihaita Popinciuc, Harry T. Jonkman e Bart J. van Wees hanno dimostrato che è possibile applicare la spintronica a singoli strati di grafene, a temperatura ambiente. Nel 2010 Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica dimostrando che è possibile creare transistor al grafene.

A inizio giugno 2020 un team di ricercatori distribuito tra Manchester, Paesi Bassi, Singapore, Spagna, Svizzera e Stati Uniti ha pubblicato un nuovo studio che, a sua volta, sintetizza altri studi sulla possibilità di creare dispositivi elettronici basati sulla spintronica usando il grafene come elemento di base. Secondo i ricercatori ci sono abbastanza evidenze scientifiche per affermare con certezza che l'elettronica di oggi sarà presto superata dalla spintronica basata sul grafene.

Elettronica Vs. Spintronica

Grazie alla loro purezza, resistenza e semplicità, i materiali 2D come il grafene sono la migliore piattaforma per trovare la sintesi tra la fisica quantistica, l'elettronica e il magnetismo. I futuri "spin-transistor" potranno essere molto più piccoli dei transistor normali, molto più veloci e avranno consumi energetici nettamente inferiori. Ciò vorrà dire che avranno anche temperature di esercizio più basse. Il grafene, inoltre, viene realizzato dalla grafite che è un materiale estremamente economico. Se prodotto in grandi quantità, quindi, il grafene non incide particolarmente sui costi dei dispositivi spintronici.

Secondo l'Argonne National Laboratory degli Stati Uniti, uno dei più prestigiosi centri di ricerca al mondo (discende dal Laboratorio Metallurgico dell'Università di Chicago, dove Enrico Fermi ottenne per la prima volta la fissione controllata dell'atomo), i computer completamente spintronici potrebbero eliminare la necessità di usare l'elaborazione parallela e i server multiprocessore. Il calcolo potrebbe essere accelerato e personalizzato con dispositivi logici riprogrammabili: l'architettura di una CPU magnetica potrebbe essere riconfigurata in tempo reale per qualsiasi compito. Una combinazione di processori magnetici riprogrammabili e RAM magnetica, potrebbe portare un giorno a computer tascabili dalle prestazioni persino superiori a quelle dei migliori supercomputer di oggi.

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