I ricercatori dell'EPFL hanno dimostrato che le onde elettromagnetiche accoppiate a strutture progettate con precisione note come quasicristalli ferromagnetici artificiali consentono una trasmissione e un'elaborazione delle informazioni più efficienti su scala nanometrica. La loro ricerca rappresenta anche la prima dimostrazione pratica dei vermi Conway, un concetto teorico per la descrizione dei quasicristalli.

Le onde elettromagnetiche ad alta frequenza vengono utilizzate per trasmettere ed elaborare informazioni in dispositivi microelettronici come gli smartphone. È già noto che queste onde possono essere compresse utilizzando oscillazioni magnetiche note come onde di spin o magnon. Questa compressione potrebbe aprire la strada alla progettazione su scala nanometrica, dispositivi multifunzione a microonde con un ingombro notevolmente ridotto. Ma prima, gli scienziati devono acquisire una migliore comprensione delle onde di spin, o precisamente di come si comportano e si propagano i magnon in diverse strutture.

Ulteriori informazioni sulle strutture aperiodiche

In uno studio condotto dall'assistente di dottorato Sho Watanabe, ricercatore post-dottorato Dr. Vinayak Bhat, e altri membri del team, gli scienziati del Laboratorio di materiali magnetici e magnonici su nanoscala dell'EPFL (LMGN) hanno esaminato come si propagano le onde elettromagnetiche, e come potrebbero essere manipolati, in nanostrutture progettate con precisione note come quasicristalli ferromagnetici artificiali. I quasicristalli hanno una proprietà unica:la loro struttura è aperiodica, il che significa che i loro atomi costituenti o elementi su misura non seguono un regolare, pattern ripetuti ma sono ancora disposti in modo deterministico. Sebbene questa caratteristica renda i materiali particolarmente utili per la progettazione di dispositivi di uso quotidiano e high-tech, rimane poco compreso.

Più veloce, trasmissione più facile delle informazioni

Il team LMGN ha scoperto che, in condizioni controllate, una singola onda elettromagnetica accoppiata a un quasicristallo artificiale si divide in diverse onde di spin, che poi si propagano all'interno della struttura. Ognuna di queste onde di spin rappresenta una fase diversa dell'onda elettromagnetica originale, portando informazioni diverse. "È una scoperta molto interessante, perché i metodi di trasmissione delle informazioni esistenti seguono lo stesso principio, "dice Dirk Grundler, professore associato presso la School of Engineering (STI) dell'EPFL. "Tranne che hai bisogno di un dispositivo in più, un multiplexer, per dividere il segnale in ingresso perché, a differenza del nostro studio, non si divide da solo."

Grundler spiega anche che, nei sistemi convenzionali, le informazioni contenute in ciascuna onda possono essere lette solo a frequenze diverse, un altro inconveniente che il team dell'EPFL ha superato nel loro studio. "Nei nostri quasicristalli bidimensionali, tutte le onde possono essere lette alla stessa frequenza, " aggiunge. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

Onde che si diffondono come vermi

I ricercatori hanno anche osservato che, invece di propagarsi a caso, le onde si muovevano spesso come i cosiddetti vermi di Conway, prende il nome da un noto matematico John Horton Conway che ha anche sviluppato un modello per descrivere il comportamento e i modelli di alimentazione dei vermi preistorici. Conway scoprì che, all'interno di quasicristalli bidimensionali, gli elementi costitutivi si dispongono come vermi tortuosi seguendo una sequenza di Fibonacci. In tal modo formano quasicristalli unidimensionali selezionati. "Il nostro studio rappresenta la prima dimostrazione pratica di questo concetto teorico, dimostrando che le sequenze inducono interessanti proprietà funzionali delle onde in un quasicristallo, "dice Grundler.