Processori ancora più veloci con dimensioni ancora più piccole? Ovunque né l'elettronica né la spintronica possano far fronte alle prestazioni o alla miniaturizzazione, la magnonica viene in soccorso. Ma prima che ciò accada, gli scienziati devono imparare a simulare accuratamente il flusso delle onde magnetiche attraverso i cristalli magnonici. All'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia è stato appena compiuto un passo importante in questa direzione.

Si può discutere se il numero di buchi nel formaggio sia correlato alla sua qualità o meno. I fisici che si occupano di materiali magnonici non hanno questi dilemmi:più buchi ci sono nel materiale, più interessanti diventano le sue proprietà magnetiche, ma anche radicalmente più difficile da descrivere e modellare. In un articolo pubblicato su Rapporti scientifici un gruppo di fisici sperimentali e teorici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia presenta un nuovo, modello verificato sperimentalmente, che per la prima volta, permette di simulare cambiamenti locali nelle proprietà magnetiche dei cristalli magnonici, con grande precisione. Sotto questo nome esotico si nascondono sottili, strutture metalliche multistrato contenenti una griglia regolare di dimensioni più o meno grandi, fori rotondi più o meno contigui. Le analisi basate su Cracovia suggeriscono anche che i fenomeni magnetici che si verificano nei cristalli magnonici sono più complessi di quanto previsto in precedenza.

"Solo di recente sono state studiate strutture metalliche multistrato con una griglia regolare di fori rotondi, e non senza problemi. Il punto è che questa rete di fori cambia drasticamente le proprietà magnetiche del sistema, soprattutto il modo in cui le onde magnetiche si propagano in esso. I fenomeni diventano così complicati che fino ad oggi nessuno è riuscito a descriverli o simularli bene, " afferma il dottor Michal Krupinski (IFJ PAN).

L'elettronica è l'elaborazione di informazioni per mezzo di cariche elettriche di elettroni che fluiscono attraverso il sistema. Spintronica, puntato per essere il successore dell'elettronica, utilizza anche flussi di elettroni, ma presta attenzione non alla loro carica elettrica, ma di filare (in altre parole:alle proprietà magnetiche). Sullo sfondo di entrambi questi campi, la magnonica si distingue fondamentalmente. Non ci sono flussi organizzati di media nei dispositivi magnonici. Ciò che scorre attraverso il sistema sono onde magnetiche.

Le differenze tra queste aree sono più facilmente comprensibili da un'analogia con il mondo dello sport. Quando uno stadio si riempie o si svuota, flussi di persone scorrono al suo interno. Se l'elettronica funzionasse qui, farebbe attenzione al numero di persone che entrano ed escono dallo stadio. La spintronica osserverebbe anche il movimento delle persone, ma sarebbe interessato ai movimenti delle persone con i capelli chiari o scuri. In questa analogia, la magnonica si occuperebbe del flusso... delle onde messicane. Onde come questa possono circondare l'intero stadio nonostante il fatto che nessun tifoso si allontani dal suo posto.

I fisici di Cracovia hanno prodotto i loro cristalli magnonici utilizzando il metodo inventato dal Prof. Michael Giersig della Freie Universität Berlin e sviluppato in IFJ PAN dal Dr. Krupinski. Il primo passo consiste nell'applicare nanoparticelle di polistirene su un substrato non magnetico (ad esempio silicio). Le sfere sono auto-organizzanti e possono farlo in modi diversi a seconda delle condizioni. Il substrato ricoperto di sfere organizzate viene quindi sottoposto all'azione del plasma in una camera a vuoto, che permette di ridurre in modo controllato il diametro delle sfere. Al campione così preparato vengono poi applicati strati sottili di metalli idonei, uno dopo l'altro. Dopo aver applicato tutti gli strati, il materiale viene lavato con solventi organici per rimuovere le sfere. Il risultato finale è una struttura periodica che ricorda un setaccio più o meno denso, permanentemente legato a un substrato di silicio (potenzialmente non ha bisogno di essere rigido, il team dell'IFJ PAN può anche formare strutture simili, ad es. su substrati polimerici flessibili).

"I sistemi che abbiamo studiato consistevano in 20 strati alternati di cobalto e palladio. Si tratta di strutture molto sottili. Il loro spessore è di soli 12 nanometri, che corrisponde a circa 120 atomi, " dice il dottor Krupinski.

A seconda delle dimensioni dei fori, tra i loro punti di contatto si formano aree più grandi o più piccole con forme simili a un triangolo. Gli atomi all'interno di queste aree possono essere magnetizzati allo stesso modo formando le cosiddette bolle magnetiche. Queste bolle possono essere utilizzate per memorizzare informazioni, e i cambiamenti nella loro magnetizzazione consentono la propagazione delle onde magnetiche nel sistema.

Il modello teorico, costruito in IFJ PAN sotto la direzione del Dr. Pawel Sobieszczyk, descrive i fenomeni magnetici che si verificano in cristalli con dimensioni di due per due micrometri. Sulla scala del micromondo, queste dimensioni sono enormi:il numero degli atomi è così grande che non è più possibile simulare il comportamento dei singoli atomi. Però, per la mutua interazione magnetica, i momenti magnetici degli atomi adiacenti sono generalmente orientati quasi nella stessa direzione. Questa osservazione ha permesso di raggruppare gli atomi in piccoli volumi (voxel), che potrebbero essere trattati come singoli oggetti. Questa procedura ha ridotto radicalmente la complessità computazionale del modello e ha permesso di effettuare simulazioni numeriche, che sono stati eseguiti presso l'Academic Computer Center Cyfronet AGH University of Science and Technology di Cracovia.

"La chiave del successo è stata l'idea di incorporare nel modello le imperfezioni riscontrate nei veri cristalli magnonici, " dice il dottor Sobieszczyk ed enumera:"Prima di tutto, le strutture reali non sono mai cristalli perfetti. Di solito sono gruppi di molti cristalli chiamati cristalliti. A seconda delle dimensioni e della forma, i cristalliti possono avere diverse proprietà magnetiche. Inoltre, contaminanti chimici possono apparire nel sistema. Fanno sì che alcune aree del materiale perdano le loro proprietà magnetiche. Finalmente, i singoli strati metallici possono essere più spessi o più sottili in alcuni punti. Il nostro modello funziona in modo così preciso perché tiene conto di tutti questi effetti".

Il modello qui presentato prevede l'esistenza di un interessante, fenomeno finora inosservato. Quando due bolle adiacenti vengono magnetizzate al contrario, i momenti magnetici degli atomi tra di loro possono cambiare il loro orientamento ruotando parallelamente al piano dello strato o perpendicolarmente. Si crea quindi una sorta di muro tra le bolle, nel primo caso chiamato muro di Bloch, nel secondo, un muro di Néel. Fino ad ora, si presumeva che in un dato cristallo magnonico si potessero trovare solo pareti di un tipo. Il modello sviluppato dai fisici dell'IFJ PAN suggerisce che entrambi i tipi di pareti magnetiche possono verificarsi nello stesso cristallo.

Magnonics è solo all'inizio. Il percorso verso processori complessi:più piccoli, Più veloce, e con una struttura logica riprogrammabile a seconda delle esigenze, è ancora lontana. Memorie magnoniche e sensori innovativi in ​​grado di rilevare piccole quantità di sostanze sembrano più realistici. Comprendere i meccanismi responsabili delle proprietà magnetiche dei cristalli magnonici e le modalità di flusso delle onde magnetiche ci avvicina a questi tipi di dispositivi. Questo è un passo importante, dopo di che verranno sicuramente i prossimi.