Un team internazionale di Delft, Lancaster, Nimega, Kiev e Salerno hanno dimostrato una nuova tecnica per generare onde magnetiche che si propagano attraverso il materiale a una velocità molto maggiore di quella del suono.

Queste cosiddette onde di spin producono molto meno calore delle correnti elettriche convenzionali, rendendoli candidati promettenti per futuri dispositivi di calcolo con un consumo energetico significativamente ridotto.

Fisici e ingegneri di tutto il mondo sono costantemente alla ricerca di modi per migliorare le prestazioni dei dispositivi di elaborazione dati. Molte delle loro idee ruotano attorno alla sostituzione delle correnti elettriche, che trasportano i segnali nell'elettronica convenzionale, con le onde. Le onde sono eccitazioni coerenti, il che significa che l'informazione può essere codificata sia nell'ampiezza che nella fase dell'onda. Interferenza e diffrazione, fenomeni naturali per un'onda di qualsiasi natura, consentire la creazione dei cosiddetti circuiti logici basati su onde, i minuscoli mattoni per le future applicazioni di elaborazione dati. Poiché le onde viaggiano attraverso materiali con una resistenza significativamente inferiore rispetto alle correnti elettriche, hanno il potenziale per ridurre drasticamente il consumo energetico nell'elaborazione futura.

Onde di spin negli antiferromagneti

Onde magnetiche, chiamate anche onde di spin, sono uno dei candidati più promettenti per i dispositivi logici basati su onde. Esperimenti che utilizzano onde di spin in magneti (ferro) regolari hanno dimostrato che è possibile costruire piccoli dispositivi logici senza utilizzare correnti elettriche. I ferromagneti sono caratterizzati da una magnetizzazione netta. A causa di quest'ultimo, possiamo scrivere e leggere informazioni magnetiche sui ferromagneti con l'aiuto di un campo magnetico esterno.

Negli ultimi anni, c'è stato uno spostamento dell'attenzione verso l'uso di antiferromagneti. Nei materiali antiferromagnetici, i microscopici momenti magnetici degli atomi vicini - gli spin - sono strettamente accoppiati e si alternano tra due orientamenti opposti, tale che non vi sia magnetizzazione netta. L'esistenza di questo ordine alternato porta a velocità di propagazione delle onde di spin significativamente più elevate e alla possibilità di frequenze operative di terahertz (trilioni di hertz). Però, l'assenza della magnetizzazione rende anche gli antiferromagneti magneticamente 'invisibili':è molto difficile rilevare e influenzare l'ordine antiferromagnetico. La pratica ha dimostrato che generare e rilevare onde di spin che possono muoversi attraverso i mezzi antiferromagnetici è ancora più difficile. Di conseguenza, Finora i concetti di calcolo basati su onde di spin antiferromagnetiche sono esistiti come un campo di opportunità interessanti teoricamente ma sperimentalmente inesplorato. Trovare nuovi modi per controllare i "momenti magnetici" negli antiferromagneti è quindi di cruciale importanza.

Il team internazionale di ricercatori è ora riuscito a creare onde magnetiche coerenti di dimensioni nanometriche in un antiferromagnete che viaggiano a velocità supersoniche attraverso il materiale. Il loro trucco era usare impulsi di luce ultracorti sia per creare che per rilevare queste onde di spin. "Mentre sapevamo che gli impulsi di luce ultracorti sono in grado di influenzare le proprietà magnetiche dei materiali antiferromagnetici, la possibilità di lanciare onde di spin che si propagano a lunghezza d'onda corta con la luce era ancora abbastanza inaspettata", afferma il ricercatore Jorrit Hortensius della Delft University of Technology. "Questo perché gli impulsi di luce non hanno la quantità di moto necessaria per creare onde di spin a lunghezza d'onda corta oa grande quantità di moto".

Un calcio ultraveloce locale

È noto da alcuni anni che impulsi di luce ultracorti potrebbero essere la chiave per creare onde di spin che si propagano ad alta frequenza. Entro un picosecondo (un milionesimo di milionesimo di secondo), tali impulsi possono scuotere il sistema magnetico ordinato e avviare il movimento magnetico negli antiferromagneti. Però, tipicamente l'area eccitata rimane localizzata e non supporta la propagazione. Far viaggiare l'eccitazione attraverso il materiale richiedeva un altro ingrediente nascosto. "La maggior parte dei materiali antiferromagnetici sono dielettrici, il che significa che sono trasparenti per la luce visibile. Abbiamo invece usato la luce ultravioletta che viene assorbita fortemente, in modo da scuotere gli spin solo molto vicino alla superficie del materiale, all'interno della cosiddetta profondità della pelle", afferma il ricercatore Dmytro Afanasiev. "La combinazione del calcio ultraveloce con il forte confinamento sulla superficie del materiale si è rivelata la combinazione per indurre la propagazione delle onde di spin antiferromagnetiche".

Le onde di spin hanno lunghezze d'onda di circa 100 nm, che è molto più piccola della lunghezza d'onda della luce. Questo fa credere ai ricercatori di aver creato onde di spin ancora più piccole, anche se non possono osservarli con i loro strumenti attuali. Jorrit Hortensius:"Poiché le onde di spin con lunghezze d'onda molto piccole sono le più interessanti per la creazione di elementi computazionali altamente compatti, siamo molto curiosi di sapere qual è il limite".

Questo lavoro avvicina alla realtà i futuri dispositivi spin-wave negli antiferromagneti. Rostislav Mikhaylovskiy della Lancaster University afferma:"Tradizionalmente i materiali antiferromagnetici sono stati considerati praticamente inutili poiché non possiedono magnetizzazione. Tuttavia, molto recentemente le funzionalità uniche degli antiferromagneti hanno innescato un vero boom nei loro studi. Riteniamo che i nostri risultati stimoleranno ulteriori ricerche sulle onde di spin antiferromagnetiche e alla fine porteranno a portata di mano un dispositivo logico basato su antiferromagneti, aprendo potenzialmente la porta a una riduzione radicale della potenza necessaria per l'elaborazione".