Poiché la domanda di risorse informatiche continua ad aumentare rapidamente, scienziati e ingegneri sono alla ricerca di modi per costruire sistemi più veloci per l'elaborazione delle informazioni. Una possibile soluzione è utilizzare modelli di spin degli elettroni, chiamati onde di spin, per trasferire ed elaborare le informazioni molto più rapidamente rispetto ai computer convenzionali. Finora, una sfida importante è stata quella di manipolare queste onde di rotazione ultraveloci per svolgere un lavoro utile.

Facendo un significativo passo avanti, i ricercatori dell’Università del Texas ad Austin e del MIT hanno sviluppato un metodo pionieristico per manipolare con precisione queste onde di spin ultraveloci utilizzando impulsi luminosi su misura. I loro risultati sono dettagliati in due studi in Nature Physics , guidato dallo studente laureato del MIT Zhuquan Zhang, ricercatore post-dottorato dell'Università del Texas ad Austin Frank Gao, dal professore di chimica del MIT Keith Nelson e dall'assistente professore di fisica dell'UT Austin Edoardo Baldini.

Una componente chiave alla base dei nostri smartphone, di Internet e del cloud computing è la tecnologia di registrazione magnetica dei dati per archiviare e recuperare grandi quantità di informazioni. Questa tecnologia si basa sulla manipolazione degli stati di spin magnetico (su e giù) nei materiali ferromagnetici, che rappresentano i bit binari "0" e "1". Questi giri sono minuscoli magneti, il cui allineamento determina le proprietà magnetiche del materiale.

Quando i ricercatori colpiscono con la luce un insieme di atomi in questi materiali, i loro spin oscillano secondo uno schema che si propaga attraverso gli atomi vicini come le onde su uno stagno quando cade un sasso. Questa è un'onda di spin.

A differenza di questi materiali convenzionali per l’archiviazione dei dati, una classe speciale di materiali magnetici noti come antiferromagneti presenta spin allineati in direzioni opposte. Le onde di spin in questi materiali sono in genere molto più veloci delle loro controparti nei ferromagneti e quindi hanno un potenziale per le future architetture per l'elaborazione delle informazioni ad alta velocità.

I ricercatori hanno sperimentato un antiferromagnete noto come ortoferrite. Questo materiale ospita una coppia di onde di spin distinte che solitamente non comunicano tra loro. Utilizzando la luce terahertz (THz), invisibile all'occhio umano a frequenze infrarosse estreme, i ricercatori sono riusciti a far interagire queste onde di spin.

In un articolo, hanno dimostrato che l'utilizzo di intensi campi THz per eccitare un'onda di spin a una certa frequenza può avviare un'altra onda di spin a una frequenza più alta, un po' come i toni armonici che si presentano naturalmente quando viene pizzicata una corda di chitarra.

"Questo ci ha davvero sorpreso", ha detto Zhang. "Significava che potevamo controllare in modo non lineare il flusso di energia all'interno di questi sistemi magnetici."

Nell’altro articolo, hanno scoperto che l’eccitazione di due diverse onde di spin può provocare una nuova onda di spin ibrida. Baldini ha affermato che questo è particolarmente entusiasmante perché potrebbe contribuire a spingere la tecnologia dalla spintronica a un nuovo regno chiamato magnonica. Nella spintronica, l'informazione viene trasportata nello spin dei singoli elettroni. Nella magnonica, l'informazione viene trasportata in onde di spin (conosciute anche come magnoni).

"Qui, a differenza della spintronica, si utilizzano questi tipi collettivi di onde di spin che coinvolgono molti, molti spin elettronici simultaneamente", ha detto Baldini. "Ciò può portare a tempi estremamente rapidi che non sono raggiungibili nella spintronica e anche a spostare le informazioni in modo più efficiente."

Per portare avanti questo lavoro innovativo, i ricercatori hanno sviluppato un sofisticato spettrometro per scoprire l'accoppiamento reciproco tra onde di spin distinte e rivelarne le simmetrie sottostanti.

"A differenza della luce visibile che può essere facilmente vista dall'occhio, la luce THz è difficile da rilevare", ha affermato Gao. "Questi esperimenti sarebbero altrimenti impossibili senza lo sviluppo della tecnica, che ci ha permesso di misurare i segnali THz con un solo impulso luminoso."

Ulteriori informazioni: Zhuquan Zhang et al, Conversione magnonica guidata dal campo Terahertz in un antiferromagnete, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7

Zhuquan Zhang et al, Accoppiamento non lineare indotto dal campo Terahertz di due modalità magnoniche in un antiferromagnete, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3

Fornito dall'Università del Texas ad Austin