L'elettronica dei computer si sta riducendo a dimensioni abbastanza piccole che le stesse correnti elettriche alla base delle loro funzioni non possono più essere utilizzate per calcoli logici come i loro antenati su larga scala. Una tradizionale porta logica basata su semiconduttori chiamata porta maggioritaria, ad esempio, emette la corrente in modo che corrisponda allo stato "0" o "1" che comprende almeno due delle sue tre correnti di ingresso (o equivalentemente, tre tensioni). Ma come si costruisce una porta logica per dispositivi troppo piccoli per la fisica classica?

Una recente dimostrazione sperimentale, i cui risultati sono pubblicati questa settimana in Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing, utilizza l'interferenza delle onde di spin, onde sincrone di allineamento di spin degli elettroni osservate nei sistemi magnetici. Il prototipo della porta maggioritaria dell'onda di spin, fatto di Ittrio-Ferro-Granato, esce da un nuovo centro di ricerca collaborativo finanziato dalla German Research Foundation, chiamato Spin+X. Il lavoro è stato sostenuto anche dall'Unione Europea nell'ambito del progetto InSpin ed è stato condotto in collaborazione con l'istituto belga di ricerca sulle nanotecnologie IMEC.

"Il motto del centro di ricerca Spin+X è 'spin nel suo ambiente collettivo, ' quindi mira fondamentalmente a indagare qualsiasi tipo di interazione degli spin, con la luce, la materia, gli elettroni e così via, " disse Tobias Fischer, uno studente di dottorato presso l'Università di Kaiserslautern in Germania, e autore principale dell'articolo. "Più o meno l'immagine principale a cui miriamo è quella di impiegare le onde di spin nell'elaborazione delle informazioni. Le onde di spin sono le eccitazioni fondamentali dei materiali magnetici".

Quindi, invece di utilizzare correnti o tensioni elettriche classiche per inviare informazioni in ingresso a una porta logica, il team internazionale di Kaiserslautern utilizza le vibrazioni nello spin collettivo di un materiale magnetico, creando essenzialmente onde di magnetizzazione su nanoscala che possono quindi interferire per produrre calcoli booleani.

"Hai momenti magnetici atomici nel tuo materiale magnetico che interagiscono tra loro e a causa di questa interazione, ci sono eccitazioni ondulatorie che possono propagarsi nei materiali magnetici, " ha detto Fischer. "Il particolare dispositivo che stavamo studiando si basa sull'interferenza di queste onde. Se usi le eccitazioni delle onde invece delle correnti [...] allora puoi usare l'interferenza delle onde, e questo comporta alcuni vantaggi."

L'uso dell'interferenza dell'onda per produrre l'uscita della porta di maggioranza fornisce due parametri da utilizzare nel controllo delle informazioni:l'ampiezza dell'onda, e fase. In linea di principio, ciò rende questo concetto più efficiente anche perché una porta maggioritaria può sostituire fino a 10 transistor nei moderni dispositivi elettronici.

"Il dispositivo che stavamo studiando consiste in tre input in cui eccitiamo le onde e si combinano, " ha detto Fischer. "A seconda delle fasi di input in cui si codificano le informazioni, che determina la fase del segnale in uscita, quindi, definendo lo stato dell'uscita logica '0' o '1'. Si tratta in realtà di elaborazione delle informazioni ed è quello che vogliamo".

Questo primo prototipo di dispositivo, sebbene fisicamente più grande di quello che Fischer e i suoi colleghi vedono per un eventuale uso su larga scala, dimostra chiaramente l'applicabilità dei fenomeni delle onde di spin per l'elaborazione affidabile delle informazioni alle frequenze GHz.

Poiché le lunghezze d'onda di queste onde di spin sono facilmente ridotte alla nanoscala, così (anche se forse non altrettanto facilmente) può essere il dispositivo stesso del cancello. Ciò potrebbe effettivamente migliorare la funzionalità, riducendo la sua sensibilità alle fluttuazioni di campo indesiderate. Oltretutto, il nanoscaling aumenterà la velocità delle onde di spin che consentirà un aumento della velocità di calcolo.

"Ciò a cui miriamo è la miniaturizzazione del dispositivo, e più piccolo rendi il dispositivo, quanto meno diventa sensibile a queste influenze, " ha detto Fischer. "Se guardi quante lunghezze d'onda rientrano in questa lunghezza di propagazione, meno ce ne sono, minore è l'influenza che una variazione della lunghezza d'onda ha sull'uscita. Quindi, in pratica, anche il downscaling del dispositivo comporterebbe maggiori vantaggi".

Per di più, proprio come le antenne, un singolo dispositivo può essere utilizzato a più frequenze contemporaneamente. Ciò consentirà il calcolo parallelo utilizzando lo stesso "core" di un futuro processore spin-wave.

"Uno dei miei colleghi a Kaiserslautern si occupa di multiplexing e demultiplexing spin-wave, " ha detto Fischer. "Stiamo andando anche in quella direzione, utilizzare più frequenze e questo sarebbe un buon complimento [...] per questa porta maggioritaria."