I ricercatori del MIT hanno ideato un nuovo design del circuito che consente un controllo preciso dell'informatica con onde magnetiche, senza bisogno di elettricità. L'avanzata fa un passo verso pratici dispositivi a base magnetica, che hanno il potenziale per calcolare in modo molto più efficiente dell'elettronica.

I computer classici si affidano a enormi quantità di elettricità per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati, e genera molto calore disperso. Alla ricerca di alternative più efficienti, ricercatori hanno iniziato a progettare dispositivi "spintronici" a base magnetica, che consumano relativamente poca elettricità e non generano praticamente alcun calore.

I dispositivi spintronici sfruttano l'"onda di spin", una proprietà quantistica degli elettroni, in materiali magnetici con una struttura reticolare. Questo approccio prevede la modulazione delle proprietà dell'onda di spin per produrre un output misurabile che può essere correlato al calcolo. Fino ad ora, la modulazione delle onde di spin ha richiesto l'iniezione di correnti elettriche utilizzando componenti ingombranti che possono causare rumore di segnale e annullare efficacemente qualsiasi miglioramento delle prestazioni intrinseche.

I ricercatori del MIT hanno sviluppato un'architettura circuitale che utilizza solo una parete di dominio larga un nanometro in nanofilm stratificati di materiale magnetico per modulare un'onda di spin passante, senza componenti aggiuntivi o corrente elettrica. A sua volta, l'onda di rotazione può essere sintonizzata per controllare la posizione del muro, come necessario. Ciò fornisce un controllo preciso di due mutevoli stati dell'onda di spin, che corrispondono agli 1 e agli 0 utilizzati nell'informatica classica.

Nel futuro, coppie di onde di spin potrebbero essere immesse nel circuito attraverso due canali, modulato per diverse proprietà, e combinati per generare un'interferenza quantistica misurabile, simile a come l'interferenza delle onde fotoniche viene utilizzata per il calcolo quantistico. I ricercatori ipotizzano che tali dispositivi spintronici basati su interferenze, come i computer quantistici, potrebbe eseguire compiti altamente complessi con cui i computer convenzionali lottano.

"Le persone stanno iniziando a cercare l'informatica oltre il silicio. Il wave computing è un'alternativa promettente, "dice Luqiao Liu, professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e ricercatore principale del Gruppo Spintronic Material and Device nel Laboratorio di Ricerca di Elettronica. "Utilizzando questo stretto muro di dominio, possiamo modulare l'onda di spin e creare questi due stati separati, senza reali costi energetici. Ci affidiamo solo alle onde di spin e al materiale magnetico intrinseco".

Unirsi a Liu sul diario Scienza carta sono Jiahao Han, Pengxiang Zhang, e Justin T. Hou, tre studenti laureati nello Spintronic Material and Device Group; e postdoc EECS Saima A. Siddiqui.

Capovolgere i magnon

Le onde di spin sono increspature di energia con piccole lunghezze d'onda. Pezzi dell'onda di rotazione, che sono essenzialmente lo spin collettivo di molti elettroni, sono chiamati magnon. Mentre i magnon non sono particelle vere, come singoli elettroni, possono essere misurati in modo simile per le applicazioni informatiche.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno utilizzato un "muro di dominio magnetico" personalizzato, " una barriera di dimensioni nanometriche tra due strutture magnetiche vicine. Hanno stratificato uno schema di nanofilm di cobalto/nichel, ciascuno spesso pochi atomi, con determinate proprietà magnetiche desiderabili in grado di gestire un volume elevato di onde di spin. Quindi hanno posizionato il muro nel mezzo di un materiale magnetico con una speciale struttura reticolare, e incorporato il sistema in un circuito.

Da un lato del circuito, i ricercatori hanno eccitato onde di spin costanti nel materiale. Mentre l'onda passa attraverso il muro, i suoi magnon ruotano immediatamente nella direzione opposta:i magnon nella prima regione ruotano a nord, mentre quelli della seconda regione, oltre il muro, girano verso sud. Ciò provoca il drammatico spostamento della fase dell'onda (angolo) e una leggera diminuzione della grandezza (potenza).

Negli esperimenti, i ricercatori hanno posizionato un'antenna separata sul lato opposto del circuito, che rileva e trasmette un segnale di uscita. I risultati hanno indicato che, al suo stato di uscita, la fase dell'onda in ingresso si è capovolta di 180 gradi. Anche la magnitudo dell'onda, misurata dal picco più alto a quello più basso, era diminuita di una quantità significativa.

Aggiungere un po' di coppia

Quindi, i ricercatori hanno scoperto un'interazione reciproca tra l'onda di spin e la parete del dominio che ha permesso loro di passare in modo efficiente tra due stati. Senza il muro del dominio, il circuito sarebbe magnetizzato uniformemente; con il muro del dominio, il circuito ha una divisione, onda modulata.

Controllando l'onda di spin, hanno scoperto di poter controllare la posizione del muro del dominio. Ciò si basa su un fenomeno chiamato, "coppia di spin-trasferimento, " che è quando gli elettroni rotanti essenzialmente urtano un materiale magnetico per capovolgere il suo orientamento magnetico.

Nel lavoro dei ricercatori, hanno potenziato la potenza delle onde di spin iniettate per indurre una certa rotazione dei magnon. Questo in realtà disegna il muro verso la sorgente dell'onda potenziata. Così facendo, il muro si incastra sotto l'antenna, rendendola di fatto incapace di modulare le onde e garantendo una magnetizzazione uniforme in questo stato.

Utilizzando uno speciale microscopio magnetico, hanno dimostrato che questo metodo provoca uno spostamento di dimensioni micrometriche nel muro, che è sufficiente per posizionarlo ovunque lungo il blocco di materiale. In particolare, è stato proposto il meccanismo della coppia di trasferimento di spin Magnon, ma non dimostrato, alcuni anni fa. "C'era una buona ragione per pensare che sarebbe successo, " Liu dice. "Ma i nostri esperimenti dimostrano cosa accadrà effettivamente in queste condizioni".

L'intero circuito è come un tubo dell'acqua, Liu dice. La valvola (parete del dominio) controlla come l'acqua (onda di rotazione) scorre attraverso il tubo (materiale). "Ma puoi anche immaginare di aumentare la pressione dell'acqua, rompe la valvola e la spinge a valle, " dice Liu. "Se applichiamo un'onda di rotazione abbastanza forte, possiamo spostare la posizione del muro del dominio, tranne che si sposta leggermente a monte, non a valle".

Tali innovazioni potrebbero consentire l'elaborazione pratica basata su onde per compiti specifici, come la tecnica di elaborazione del segnale, chiamata "trasformata di Fourier veloce". Prossimo, i ricercatori sperano di costruire un circuito d'onda funzionante in grado di eseguire calcoli di base. Tra l'altro, devono ottimizzare i materiali, ridurre il potenziale rumore del segnale, e studiare ulteriormente la velocità con cui possono passare da uno stato all'altro spostandosi attorno al muro del dominio. "Questo è il prossimo sulla nostra lista di cose da fare, " dice Liù.