venerdì 6 marzo 2020

Scienza dei materiali, ritorno all'analogico con la manipolazione delle onde di spin. Primo passo verso una nuova elettronica senza elettroni

Messa a punto una nuova metodologia per generare e manipolare le onde di spin in materiali magnetici nanostrutturati grazie alla creazione di particolari nanoantenne. Più vicini i calcolatori analogici super efficienti. Lo studio pubblicato su Advanced Materials.





Il rivoluzionario studio a cura del Politecnico di Milano, New York University, Cnr-Iom (Consiglio nazionale delle ricerche – Istituto officina dei materiali) di Perugia, Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e la beamline PolLux della Swiss Light Source, PSI, Svizzera, dimostra una nuova metodologia per generare e manipolare come mai prima d’ora onde di spin in materiali magnetici nanostrutturati. Il lavoro apre la strada allo sviluppo di nano - processori per l’elaborazione analogica di informazioni straordinariamente rapida ed energeticamente efficiente.

La scoperta è frutto della collaborazione fra il gruppo di magnetismo di Edoardo Albisetti, Daniela Petti e Riccardo Bertacco del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, il gruppo di Elisa Riedo (New York University), e Silvia Tacchi dell’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iom) di Perugia, il Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e la beamline PolLux della Swiss Light Source, PSI, Svizzera.

Il presente studio ha dato di fatto una concreta risposta ad una delle principali sfide tecnologiche dell’era moderna che consiste nel trovare alternative valide al paradigma computazionale vigente incentrato sul silicio e sul trasporto di elettroni. La relativa tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) è infatti sempre più prossima al raggiungimento dei sui limiti fondamentali, intrinsecamente legati alla miniaturizzazione dei componenti nelle attuali architetture elettroniche, e a problemi di dissipazione di potenza e di correnti di perdita.

Le onde di spin che in sostanza sono eccitazioni collettive di sistemi, presentano un ordinamento magnetico come vettori di informazione; la possibilità di manipolarle attraverso questo nuovo tipo di emettitori, offre significativi vantaggi quali l’assenza di dissipazione di energia per effetto Joule, la fattibilità di lavorare a frequenze fino ai THz, e, soprattutto, la possibilità di progettare piattaforme basate su computazione analogica, insomma un primo passo verso una nuova elettronica senza elettroni. Le onde di spin, comunemente chiamate “magnoni”, sono l’analogo delle onde elettromagnetiche per il magnetismo, e si propagano nei materiali come il ferro in maniera simile alle onde del mare. Rispetto alle onde elettromagnetiche, i magnoni sono caratterizzati da proprietà uniche che li rendono ideali appunto per lo sviluppo di sistemi miniaturizzati di calcolo “analogico” estremamente più efficienti dei sistemi digitali attualmente disponibili.

Modulare a proprio piacimento le onde di spin era fino ad oggi estremamente complesso. Nell’articolo pubblicato su Advanced Materials, viene presentato un nuovo tipo di emettitori, le cosiddette “nanoantenne magnoniche” che permettono di generare onde di spin con forma e propagazione controllata. Grazie ad esse, ad esempio, è possibile ottenere fronti d’onda radiali (come quelli di una pietra lanciata in uno stagno) o fronti d’onda planari (come le onde del mare sulla spiaggia) e anche creare fasci direzionali focalizzati. Nell’articolo si dimostra inoltre che utilizzando più nanoantenne contemporaneamente si possono generare figure di interferenza “a comando”, condizione necessaria per poter sviluppare sistemi di computazione analogici.

Per realizzare le nanoantenne è stata utilizzata la tecnica tam-SPL (sviluppata al Politecnico di Milano in collaborazione con il laboratorio della prof.ssa Riedo), che permette di manipolare con precisione nanometrica le proprietà magnetiche del materiale di cui sono composte. In particolare, le nanoantenne consistono in minuscole “increspature” nella magnetizzazione del materiale (chiamate “pareti di dominio” e “vortici”) che, quando vengono messe in moto da un campo magnetico oscillante, emettono onde di spin. Dato che le proprietà delle onde di spin sono legate alla tipologia e alle caratteristiche peculiari di queste increspature, controllandole molto bene è stato possibile modulare come mai prima d’ora le onde emesse.

Le onde di spin sono state misurate utilizzando una tecnica di microscopia a raggi-X risolta in tempo disponibile presso la la beamline PolLux della Swiss Light Source, Svizzera. Questa tecnica ha permesso ai ricercatori di visualizzare la propagazione delle onde di spin nel materiale, con alta risoluzione spaziale (inferiore ai 50 nanometri) e risoluzione temporale (inferiore al nanosecondo).

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