Grazie al suo potenziale per rendere i computer più veloci e gli smartphone più efficienti, la spintronica è considerata un concetto promettente per il futuro dell'elettronica. In una collaborazione che include il Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) e l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un team di ricercatori ha ora generato con successo le cosiddette onde di spin in modo molto più semplice ed efficiente di quanto precedentemente ritenuto possibile. I ricercatori stanno presentando i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

I moderni chip per computer si basano sul trasporto di cariche elettriche. Ogni evento di elaborazione fa fluire una corrente di elettroni in un componente elettronico. Questi elettroni incontrano resistenza, che genera calore indesiderato. Più piccole sono le strutture su un chip, più è difficile dissipare il calore. Questa architettura basata sulla carica è anche in parte il motivo per cui le frequenze di clock dei processori non hanno visto aumenti significativi negli anni. La curva di sviluppo costante delle prestazioni e della velocità del chip si sta ora appiattendo. "I concetti esistenti stanno raggiungendo i loro limiti, " spiega il Dr. Sebastian Wintz dell'Istituto di Fisica del Fascio Ionico e Ricerca sui Materiali presso HZDR. "Ecco perché stiamo lavorando a una nuova strategia, le onde di spin."

Questo approccio non comporta più spese di trasporto, ma trasferisce solo il momento angolare intrinseco degli elettroni (spin) in un materiale magnetico. Gli elettroni stessi rimangono stazionari, mentre cambiano solo i loro giri. Poiché gli spin degli elettroni vicini si percepiscono a vicenda, un cambiamento in un giro può viaggiare ai suoi vicini. Il risultato è un segnale magnetico che attraversa il materiale come un'onda, un'onda di spin. Il vantaggio dei componenti spin-powered è che genererebbero pochissimo calore, il che significa che potrebbero consumare molta meno energia, e questo è di grande interesse per i dispositivi mobili come gli smartphone. Potrebbe anche essere possibile miniaturizzare ulteriormente i componenti per determinate applicazioni perché le onde di spin hanno lunghezze d'onda molto più corte rispetto a segnali elettromagnetici comparabili, per esempio nella comunicazione mobile. Ciò significa che potremmo inserire più circuiti su un chip di quanto non possiamo fare oggi.

Mescolando un'onda di spin con un vortice magnetico

Prima che possiamo fare tutto questo, prima abbiamo bisogno di molta più ricerca fondamentale. Ad esempio, dobbiamo sapere come generare in modo efficiente onde di spin. Gli esperti stanno cercando di capirlo da un po' di tempo, attaccare strisce metalliche di dimensioni micrometriche su sottili strati magnetici. Una corrente alternata che attraversa questa striscia crea un campo magnetico limitato a uno spazio molto piccolo. Questo campo ecciterà quindi un'onda di spin nello strato magnetico. Ma questo metodo ha uno svantaggio:è difficile rendere la lunghezza d'onda delle onde di spin generate più piccola della larghezza della striscia di metallo, il che è sfavorevole per lo sviluppo di componenti altamente integrati con strutture di dimensioni nanometriche.

Eppure c'è un'alternativa:un materiale magnetico modellato in dischi circolari evoca la formazione di vortici magnetici i cui nuclei misurano non più di una decina di nanometri. Un campo magnetico può quindi far oscillare questo nucleo di vortice, che innesca un'onda di spin nel livello. "Qualche tempo fa, avevamo bisogno di materiali multistrato relativamente complessi per far sì che ciò accadesse, " Rapporti Wintz. "Ora siamo riusciti a inviare onde di spin dai nuclei di vortice in un materiale molto semplice".

Lunghezze d'onda inaspettatamente corte

La cosa notevole è la lunghezza d'onda delle onde di spin generate, appena 80 nanometri. "La comunità di esperti è rimasta sorpresa dal fatto che l'abbiamo fatto in un materiale così semplice, " dice il dottor Georg Dieterle, che ha esplorato il fenomeno nel suo dottorato di ricerca. tesi presso MPI-IS. "Inoltre, non ci aspettavamo di essere in grado di generare onde così corte a frequenze nella gamma inferiore dei gigahertz". Gli esperti pensano che la ragione delle lunghezze d'onda corte risieda nel modo in cui viaggiano. Vicino al centro della sezione trasversale dello strato di nichel-ferro, l'onda di spin forma una sorta di "nodo", all'interno della quale la direzione magnetica oscilla solo in alto e in basso anziché lungo la sua traiettoria solitamente circolare.

Per rendere visibili questi fenomeni, il team ha utilizzato uno speciale microscopio a raggi X presso l'anello di accumulo di elettroni BESSY II presso l'Helmholtz Zentrum di Berlino. "Questo è l'unico posto sulla terra che offre le necessarie risoluzioni spaziali e temporali in questa combinazione, " sottolinea la prof.ssa Gisela Schütz, direttore presso MPI-IS. "Senza questo microscopio, non saremmo stati in grado di osservare questi effetti". Ora gli esperti sperano che i loro risultati aiutino ulteriormente lo sviluppo della spintronica. "I nostri nuclei di vortice potrebbero, ad esempio, servire come un locale, fonte ben controllabile per esplorare i fenomeni sottostanti e sviluppare nuovi concetti con componenti basati su onde di spin, " Dice Dieterle. "Le onde di spin che abbiamo osservato potrebbero essere di rilevanza futura per i circuiti altamente integrati".