La concezione di questo artista mostra la differenza tra gli stati "aperto" e "chiuso" di un Magnon. Eccitare lo spin magnetico (freccia rossa) dell'elettrone superiore invia un'onda di cambiamenti di spin che viaggiano verso il basso attraverso la catena, creando una tensione che può essere letta in basso. A sinistra, la direzione netta degli spin nei materiali YIG e Py (due spessi strati blu) puntano nella stessa direzione (grandi frecce blu), e le onde rimangono grandi attraverso la catena di elettroni, che rappresenta uno stato aperto. Ma a destra, lo spin netto nel punto YIG e Py in direzioni opposte, riducendo l'ampiezza delle onde nella YIG e indicando uno stato chiuso. Credito:N. Hanacek / NIST
Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno dimostrato un modo potenzialmente nuovo per realizzare interruttori all'interno dei chip di elaborazione di un computer, consentendo loro di utilizzare meno energia e irradiare meno calore.
Il team ha sviluppato una tecnica pratica per controllare i magnon, che sono essenzialmente onde che viaggiano attraverso materiali magnetici e possono trasportare informazioni. L'utilizzo di Magnon per l'elaborazione delle informazioni richiede un meccanismo di commutazione in grado di controllare la trasmissione di un segnale Magnon attraverso il dispositivo.
Mentre altri laboratori hanno creato sistemi che trasportano e controllano i magnon, l'approccio del team porta due importanti novità:i suoi elementi possono essere costruiti su silicio piuttosto che su substrati esotici e costosi, come altri approcci hanno richiesto. Funziona in modo efficiente anche a temperatura ambiente, piuttosto che richiedere refrigerazione. Per questi ed altri motivi, questo nuovo approccio potrebbe essere impiegato più facilmente dai produttori di computer.
"Questo è un elemento costitutivo che potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di tecnologie informatiche altamente efficienti, " ha detto il membro del team Patrick Quarterman, un fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR). "Altri gruppi hanno creato e controllato magnon in materiali che non si integrano bene con i chip dei computer, mentre il nostro è costruito sul silicio. È molto più praticabile per l'industria".
Magnon, chiamate anche onde di spin, sfrutta la proprietà dello spin dell'elettrone per trasferire informazioni. Uno dei motivi per cui i chip dei computer si surriscaldano è che in un circuito convenzionale, gli elettroni viaggiano da un luogo all'altro, e il loro movimento genera calore. un magno, però, si muove attraverso una lunga serie di elettroni, che non hanno bisogno di viaggiare. Anziché, la direzione di rotazione di ciascun elettrone, che è un po' come una freccia che si estende attraverso l'asse di una trottola, influenza magneticamente la direzione di rotazione dell'elettrone successivo in linea. Modificando lo spin del primo elettrone si invia un'onda di cambiamenti di spin che si propaga lungo la stringa. Poiché gli elettroni stessi non si muoverebbero, risulterebbe molto meno calore.
Poiché la stringa di elettroni si estende da un luogo all'altro, il magnon può trasportare informazioni mentre viaggia lungo la corda. Nei chip basati sulla tecnologia Magnon, altezze d'onda più grandi e più piccole (ampiezze) potrebbero rappresentare uno e zero. E poiché l'altezza dell'onda può cambiare gradualmente, un magnon potrebbe rappresentare valori compresi tra uno e zero, dandogli più capacità di un commutatore digitale convenzionale.
Mentre questi vantaggi hanno reso l'elaborazione delle informazioni basata su Magnon un'idea allettante in teoria, fino ad ora la maggior parte delle strutture di successo sono state costruite all'interno di più strati di film sottili che si trovano in cima a una base di granato di gadolinio gallio, piuttosto che in cima al silicio di cui sono fatti i chip commerciali. Questo materiale "GGG" sarebbe proibitivo per la produzione di massa.
"È un divertente parco giochi di fisica che dimostra i principi di base, "Quartiere ha detto, "ma non è pratico per la produzione su scala industriale".
Però, Yabin Fan e i suoi colleghi del MIT hanno utilizzato un approccio ingegneristico creativo per sovrapporre i film sottili su una base di silicio. Il loro obiettivo era costruire il loro sistema sul materiale con cui l'industria informatica è stata a lungo abituata a lavorare, consentendo così ai magnon di interfacciarsi con la tecnologia informatica convenzionale.
Inizialmente, la loro creazione multistrato non si è comportata come previsto, ma gli scienziati del NCNR hanno usato una tecnica chiamata riflettometria di neutroni per esplorare il comportamento magnetico all'interno del dispositivo. I neutroni hanno rivelato un'interazione inaspettata ma vantaggiosa tra due degli strati di film sottile:a seconda della quantità di campo magnetico applicato, i materiali si ordinano in modi diversi che potrebbero rappresentare lo stato "on" o "off" di un interruttore, così come le posizioni tra on e off, rendendolo simile a una valvola.
"Mentre abbassi il campo magnetico, la direzione cambia, " ha detto Fan, un associato post-dottorato nel dipartimento di ingegneria elettrica del MIT. "I dati sono molto chiari e ci hanno mostrato cosa stava succedendo a diverse profondità. C'è un accoppiamento molto forte tra gli strati".
L'interruttore Magnon potrebbe trovare impiego in dispositivi che eseguono anche un altro tipo di calcolo. Gli interruttori digitali convenzionali possono esistere solo negli stati on o off, ma poiché l'ampiezza dell'onda di spin può cambiare gradualmente da piccola a grande, è possibile che i magnon possano essere utilizzati in applicazioni informatiche analogiche, dove l'interruttore ha valori compresi tra 0 e 1.
"Ecco perché lo consideriamo più simile a una valvola, " disse Quarterman. "Puoi aprirlo o chiuderlo un po' alla volta."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
