Con il rapido progresso della miniaturizzazione, l'elaborazione dei dati utilizzando correnti elettriche affronta sfide difficili, alcuni dei quali sono insormontabili. Le onde magnetiche di spin sono un'alternativa promettente per il trasferimento di informazioni in chip ancora più compatti. Scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), nell'ambito di un progetto di ricerca internazionale, sono ora riusciti a generare onde di spin con lunghezze d'onda estremamente corte nell'intervallo dei nanometri, una caratteristica fondamentale per la loro futura applicazione.

Più piccoli, Più veloce, più efficiente dal punto di vista energetico:questo è il mantra per l'ulteriore sviluppo di computer e telefoni cellulari che attualmente sta procedendo a un ritmo mozzafiato. Però, Il dottor Sebastian Wintz dell'HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research sa fin troppo bene, quanto sia già difficile raggiungere un ulteriore grado di miniaturizzazione. "Un grosso problema con le tecnologie attuali, " Egli ha detto, "è il calore che si genera quando i dati vengono trasmessi con l'ausilio di correnti elettriche. Abbiamo bisogno di un nuovo concetto." Il fisico sta lavorando con colleghi internazionali sulle cosiddette onde di spin (magnon) che in futuro sostituiranno le cariche in movimento come vettori di informazioni. Gli scienziati sono ora riusciti per la prima volta a generare onde di spin di lunghezze d'onda così corte da avere il potenziale per future applicazioni nell'elaborazione dei dati.

Le onde di spin sostituiscono la corrente elettrica

Lo spin denota una proprietà che conferisce alle particelle un momento magnetico. Quindi agiscono come minuscoli magneti che corrono paralleli tra loro nei materiali ferromagnetici. Se uno degli spin cambia direzione, questo ha un effetto a catena sui suoi vicini. Una reazione a catena dà origine a un'onda di spin.

L'elaborazione delle informazioni è attualmente basata sulle correnti elettriche. Le particelle cariche accelerano attraverso una rete di fili che vengono schiacciati sempre più vicini tra loro, spinti dal desiderio di chip sempre più compatti. Sulla loro strada, gli elettroni si scontrano con gli atomi, facendoli oscillare avanti e indietro nel reticolo cristallino generando così calore. Se i fili sono troppo ravvicinati, questo calore non può più essere dissipato e il sistema si guasta. "Il grande vantaggio delle onde di spin è che gli elettroni stessi non si muovono, " ha spiegato Wintz, "quindi poco prezioso calore è prodotto dal flusso di dati."

Vortice magnetico come nano-antenna

L'approccio tradizionale adottato per generare onde di spin consiste nell'utilizzare piccole antenne metalliche che generano magnon quando guidate da una corrente alternata ad alta frequenza. La lunghezza d'onda più piccola che può essere generata in questo modo sarà all'incirca delle dimensioni dell'antenna utilizzata. Proprio qui sta il problema maggiore, in quanto sono necessarie piccole lunghezze d'onda su scala nanometrica per soddisfare la richiesta di una sempre maggiore miniaturizzazione. Non è attualmente possibile, però, per realizzare antenne ad alta frequenza così piccole.

Il gruppo di ricerca dalla Germania, La Svizzera e gli Stati Uniti sono ora riusciti a generare onde di spin di lunghezza d'onda estremamente corta in un modo completamente nuovo. Come un'antenna formata naturalmente, usano il centro di un vortice magnetico che viene prodotto in un piccolo, disco ferromagnetico ultrasottile. A causa delle dimensioni limitate del disco, gli spin non si allineano tutti in parallelo come di consueto ma giacciono lungo cerchi concentrici nel piano del disco. Questo, a sua volta, forza gli spin da una piccola area al centro del disco, che misura pochi nanometri di diametro, per raddrizzare e, così, puntare lontano dalla superficie del disco. Se questa regione centrale è soggetta a un campo magnetico alternato, viene prodotta un'onda di spin.

Servono altri accorgimenti, però, per accorciare la lunghezza d'onda come richiesto. Di conseguenza, un secondo minuscolo disco è posto sul primo, separati da un sottile, strato non magnetico. Quando questo strato di separazione è fabbricato con uno spessore specifico, quindi i due dischi interagiscono in modo tale da suscitare un accoppiamento antiferromagnetico tra i dischi - gli spin cercano di puntare in direzioni opposte - che riduce di molte volte la lunghezza d'onda delle onde di spin emesse. "Solo così si arriva a un risultato rilevante per l'informatica, "aggiunse Wintz.

Proprietà attraenti per le applicazioni

Gli scienziati non solo hanno dimostrato le lunghezze d'onda corte delle onde di spin generate in questo modo, ma sono stati anche in grado di rivelare altre proprietà delle onde che potrebbero essere molto utili per applicazioni future. Con l'aiuto di filmati ad alta velocità ripresi con un microscopio a raggi X appartenente al Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda (installato presso l'Helmholtz-Zentrum di Berlino) hanno dimostrato che la lunghezza d'onda può essere regolata con precisione mediante la selezione di the excitation frequency. Similar measurements were also carried out at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. Inoltre, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.