I dispositivi elettronici come i transistor stanno diventando sempre più piccoli e raggiungeranno presto i limiti delle prestazioni convenzionali basate sulle correnti elettriche.

Dispositivi basati su correnti magnoniche, quasi particelle associate a onde di magnetizzazione, o onde di rotazione, in alcuni materiali magnetici, trasformerebbe l'industria, sebbene gli scienziati debbano capire meglio come controllarli.

Ingegneri dell'Università della California, lungo il fiume, hanno fatto un passo importante verso lo sviluppo di dispositivi magnonici pratici studiando, per la prima volta, il livello di rumore associato alla propagazione della corrente magnon.

Rumore, o fluttuazioni nel flusso di corrente, è una metrica importante per valutare se un dispositivo elettronico è adatto per applicazioni pratiche. Poiché il rumore interferisce con le prestazioni di un dispositivo, una migliore comprensione di quanto siano rumorosi i magnon aiuterà gli ingegneri a sviluppare dispositivi migliori.

Tutta l'elettronica esistente si basa su conduttori di elettricità come metalli o semiconduttori. Quando gli elettroni si muovono attraverso questi materiali, sperimentano la dispersione, che si traduce in resistenza elettrica, il riscaldamento, e dissipazione di energia. Quando la corrente passa attraverso un filo o un semiconduttore, l'inevitabile riscaldamento provoca perdite di energia. Dispositivi e chip più piccoli con una maggiore densità di transistor accelerano la perdita di energia dovuta al riscaldamento. I dispositivi che utilizzano correnti elettroniche convenzionali sono quasi al punto in cui non possono essere ridotti.

Una nuova classe di materiali possiede proprietà magnetiche che derivano dallo spin, una sorta di slancio innato. Singoli "pezzi, " o unità di onde di spin, sono chiamati magnon. I magnoni non sono vere particelle come gli elettroni, ma si comportano come particelle e come tali possono essere trattati.

Un'onda di energia chiamata onda di spin può muoversi attraverso un materiale elettricamente isolante per trasmettere energia senza spostare alcun elettrone, come le persone che fanno l'onda in uno stadio. Ciò significa che i magnon possono propagarsi senza generare molto calore e perdere molta energia.

Un nuovo campo dell'elettronica chiamato magnonica tenta di creare dispositivi per l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni, così come le applicazioni sensoriali, usando correnti di magnoni invece di elettroni. Sebbene il rumore elettronico sia noto da molto tempo, nessuno ha studiato il rumore magnon, fino ad ora.

Una squadra guidata da Alexander Balandin, un illustre professore di ingegneria elettrica e informatica presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering di UC Riverside, ha creato un chip che ha generato una corrente magnonica, o onda di rotazione, tra antenne trasmittenti e riceventi.

Gli esperimenti hanno rivelato che i magnon non sono così rumorosi a bassi livelli di potenza. Ma a livelli di potenza elevata, il rumore divenne insolito, dominato da ampie fluttuazioni, i ricercatori hanno chiamato rumore del segnale telegrafico casuale che interferirebbe con le prestazioni di un dispositivo. Il rumore era notevolmente diverso da quello prodotto dagli elettroni e identifica i limiti su come costruire dispositivi magnonici.

"I dispositivi magnonici dovrebbero preferibilmente funzionare a bassi livelli di potenza, Disse Balandin. “Si può dire che il rumore dei magnon è discreto a bassa potenza ma diventa alto e discreto ad una certa soglia di potenza. Questo costituisce il fascino discreto dei dispositivi magnonici. I nostri risultati ci indicano anche possibili strategie per mantenere basso il livello di rumore".

La scoperta di caratteristiche di rumore insolite inibirebbe lo sviluppo di dispositivi magnonici?

"No, l'obiettivo per l'elaborazione delle informazioni è di andare a bassa potenza, " ha detto Balandin.

Per adesso, Il gruppo di ricerca di Balandin sta conducendo esperimenti con componenti generici per comprenderne i fondamenti. I loro primi dispositivi sperimentali sono relativamente grandi. Hanno in programma di studiare i meccanismi fisici del rumore magnon e di testare una versione sostanzialmente ridotta di tali dispositivi.

La carta, "Il rumore discreto dei magnon, " è una storia caratteristica in Lettere di fisica applicata , e apparirà anche sulla copertina di un prossimo numero. Oltre a Balandin, gli autori sono Sergey Rumyantsev, Mykhaylo Balinskyy, Fariborz Kargar, e Alexander Khitun.