PROGRAMMA PRIN 2022 - BANDO PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 FEBBRAIO 2022

TITOLO DEL PROGETTO SKYrmion-based magnetic tunnel junction to design a temperature SENSor - SkySens

CODICE Progetto 20222N9A73
CODICE CUP D53D23000920006

Budget: € 80.500

P.I. o Responsabile U.R.: Prof. Riccardo Tomasello - Politecnico di Bari, Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell'Informazione

Altre Unità di Ricerca o eventuali Sub Unità: Università degli Studi di Messina - Responsabile Unità di Ricerca: Prof.ssa Anna Giordano

Breve descrizione del progetto

SkySens affronta l'interazione tra temperatura e solitoni magnetici, con particolare attenzione agli skyrmion magnetici, texture di spin topologiche di dimensioni nanometriche, stabili e controllabili elettricamente. Il progetto, finanziato con il sostegno del Ministero dell'Università e della Ricerca nell'ambito del Bando PRIN 2022, mira a generare nuova conoscenza sulla dinamica termicamente indotta degli skyrmion in film sottili e in sistemi tridimensionali, attraverso lo sviluppo e l'uso del solutore micromagnetico PETASPIN. La ricerca combina modellazione micromagnetica avanzata, studio dei gradienti termici e progettazione di giunzioni tunnel magnetiche (MTJ) che ospitano skyrmion, con l'obiettivo finale di introdurre la progettazione di un nuovo concetto di sensore di temperatura spintronico.

Il consorzio riunisce il Politecnico di Bari e l'Università degli Studi di Messina, con competenze complementari in nanomagnetismo, spintronica computazionale, sviluppo di codici micromagnetici e progettazione di dispositivi basati su skyrmion ed effetto diodo spin-torque. Le attività sono organizzate in un WP di management e disseminazione e in due WP tecnici: WP1, orientato alla Skyrmion-Caloritronics e alla dinamica termica di skyrmion e solitoni 3D; WP2, orientato alla progettazione e ottimizzazione di MTJ con skyrmion per applicazioni sensoristiche.

Finalità

La finalità principale del progetto è progettare un nuovo sensore di temperatura basato su skyrmion magnetici in MTJ, sfruttando la dipendenza dalla temperatura delle proprietà dinamiche degli skyrmion e della risposta risonante del dispositivo. Il sensore previsto mira a combinare basso consumo di potenza, integrabilità con tecnologie CMOS, scalabilità, ridotta occupazione di area e alta sensitività.

A livello scientifico, SkySens mira a chiarire il ruolo dei diversi meccanismi termici che agiscono sugli skyrmion, includendo torque entropici, magnonici e spin-orbitali termici, in materiali ferromagnetici, antiferromagnetici naturali e sintetici, ferrimagnetici, e strutture multilstrato. Il progetto intende inoltre esplorare l'effetto della temperatura e dei gradienti termici su solitoni magnetici 3D (per esempio, hopfion magnetici), un ambito ancora poco esplorato ma promettente per nuove architetture di interconnessione e trasferimento dell'informazione.

A livello applicativo, la finalità è tradurre tale conoscenza in curve di calibrazione e criteri di progetto per dispositivi MTJ basati sugli skyrmion, creando le basi per futuri sensori termici spintronici a basso consumo e per ulteriori applicazioni in IoT, elettronica integrata, aerospace e computing non convenzionale.

Risultati attesi

I risultati attesi comprendono:

1. l'aggiornamento e l'estensione del solutore micromagnetico PETASPIN per simulare la dinamica termicamente indotta di skyrmion in film sottili e solitoni magnetici in materiali 3D;

2. la comprensione quantitativa degli effetti di torque entropici, magnonici e spin-orbitali termici sulla velocità, traiettoria e stabilità degli skyrmion in funzione della temperatura, dei gradienti termici e del campo magnetico esterno applicato;

3. la caratterizzazione teorica dell'effetto della temperatura e dei gradienti termici su solitoni magnetici tridimensionali, inclusa l'identificazione di traiettorie e velocità in nanowire e griglie interconnesse;

4. la progettazione e ottimizzazione micromagnetica di MTJ in grado di ospitare skyrmion, con riferimento a dispositivi con rapporto magnetoresistivo di tunnel (TMR)  superiore al 15% e variazione di resistenza associata allo skyrmion di almeno 40 Ohm;

5. la definizione del principio di funzionamento di un sensore di temperatura basato su skyrmion, mediante curve di calibrazione frequenza di risonanza-temperatura e tensione continua in uscita-temperatura nella banda dei GHz;

6. la disseminazione dei risultati tramite pubblicazioni open access, workshop, attività virtuali, interazione con gruppi sperimentali internazionali e comunicazione verso stakeholder interessati alle tecnologie spintroniche e sensoristiche.

Risultati raggiunti

Nel periodo di svolgimento del progetto SkySens sono stati raggiunti gli obiettivi scientifici e tecnologici previsti, senza deviazioni sostanziali rispetto al piano approvato e nel rispetto del budget. Grazie al sostegno finanziario del Ministero dell'Università e della Ricerca, il progetto ha consolidato una nuova linea di ricerca all'intersezione tra spintronica, magnetismo topologico e sensoristica, dimostrando la fattibilità di sensori di temperatura basati su skyrmion magnetici integrati in giunzioni tunnel magnetiche (MTJ).

Sul piano modellistico e numerico, è stato aggiornato il solutore micromagnetico PETASPIN, includendo effetti termici quali torque entropici, magnonici e spin-orbitali termici, oltre a interazioni di ordine superiore per descrivere frustrazione magnetica e stabilizzazione di solitoni tridimensionali. Le simulazioni hanno permesso di comprendere in modo quantitativo la dinamica di skyrmion in film sottili, multilayer, sistemi ferromagnetici, antiferromagnetici naturali e sintetici e ferrimagnetici, evidenziando il ruolo dominante del torque entropico nella dinamica indotta da gradienti termici. Sono state inoltre determinate traiettorie e velocità in funzione di gradienti termici fino a temperature di 400 K e campi magnetici fino a 300 mT, con supporto di un modello analitico basato sull'equazione di Thiele.

Per i solitoni magnetici tridimensionali, il progetto ha conseguito risultati esplorativi originali sulla dinamica termica di hopfion e texture topologiche 3D, mostrando moto controllabile, anche con angolo di Hall nullo in specifiche configurazioni, e aprendo prospettive per dispositivi basati su connessioni tridimensionali e controllo termico dell'informazione magnetica.

Sul piano dei dispositivi, è stata progettato e dimostrato sperimentalmente un dispositivo MTJ in grado di ospitare skyrmion, con diametro fino a circa 270 nm, TMR superiore al 45% a temperatura ambiente e rivelazione elettrica diretta degli skyrmion. La variazione di resistenza associata alla presenza di un singolo skyrmion è risultata dell'ordine di 40 Ohm, in linea con l’obiettivo progettuale. Le misure MFM, MOKE, TEM, TMR e spin-torque ferromagnetic resonance hanno confermato la qualità dello stack, la stabilizzazione degli skyrmion e la possibilità di eccitarne e rivelarne la risposta dinamica.

A partire da tali risultati, è stato definito e validato il principio di funzionamento di un nanosensore di temperatura skyrmionico basato sulla risposta risonante di una MTJ operante come diodo spintronico. Sono state ottenute curve di calibrazione frequenza-temperatura e tensione rettificata-temperatura nella banda GHz, dimostrando la possibilità di stimare la temperatura mediante la risposta elettrica del dispositivo basato sullo skyrmion.

Il progetto ha inoltre generato ricadute oltre la sensoristica, includendo nuovi concetti di dispositivi skyrmionici per generazione di segnali, alternatori trifase basati sugli skyrmion in strutture a nano-anello costituire da antiferromagneti sintetici e architetture spintroniche multifunzionali. Tali risultati rafforzano il potenziale degli skyrmion per dispositivi compatti, scalabili, a basso consumo e compatibili con futuri sistemi di calcolo e sensing integrato.

La disseminazione è stata ampia e coerente con gli obblighi di pubblicità del PRIN 2022: il pubblico è stato informato sul progetto e sui risultati attraverso il sito web dedicato, aggiornato con descrizione del progetto, visione, membri del consorzio, eventi, open positions e pubblicazioni, evidenziando il sostegno finanziario ricevuto dal Ministero dell'Università e della Ricerca. I risultati sono stati inoltre diffusi tramite presentazioni a conferenze e workshop internazionali, invited talks, scuole PETASPIN su spintronica e applicazioni, e pubblicazioni scientifiche in riviste e atti peer-reviewed (15 prodotti scientifici collegati al progetto, inclusi lavori su Advanced Electronic Materials, IEEE Sensors Journal, Nature Electronics, Physical Review Applied, Journal of Physics D, Scientific Reports, ecc.). Le attività sono state condotte nel rispetto dei principi DNSH, Open Access, pari opportunità, inclusione generazionale e gestione responsabile delle risorse computazionali e sperimentali.

In sintesi, il finanziamento MUR ha consentito di sviluppare conoscenze, strumenti numerici, dimostrazioni sperimentali ed ottenere risultati scientifici utili alla progettazione di una nuova generazione di dispositivi spintronici per sensing e computing integrato, rafforzando il posizionamento del consorzio nel panorama internazionale della spintronica e del nanomagnetismo