Computadora como diseñadora de componentes magnónicos

Esquema del proceso de diseño inverso para componentes magnonicos. (Imagen: Chloe Kim, Time Illustration Studio) / El boceto del diseño inverso en magnonics (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

Los componentes magnónicos tienen el potencial de revolucionar la industria de la electrónica. Qi Wang y Andrii Chumak de la Universidad de Viena, así como Philipp Pirro de la TU Kaiserslautern, han acelerado significativamente el diseño de componentes magnónicos versátiles mediante un algoritmo basado en retroalimentación. Su "diseño inverso" de componentes magnónicos se publica ahora en Nature Communications.

El campo de la magnónica ofrece una nueva forma de procesamiento de información eficiente en energía, en la que los magnones, los cuantos de las ondas de espín, en lugar de electrones, transmiten y procesan datos. El objetivo de este campo es crear circuitos magnónicos que sean más pequeños y eficientes en energía que los circuitos electrónicos actuales.

Hasta hace poco, el desarrollo de un componente magnónico funcional podía llevar años de pruebas y errores. Ahora, investigadores de la Universidad de Viena y de la TU Kaiserslautern han desarrollado un nuevo método que permite diseñar nuevos componentes en un período de tiempo mucho más corto. Además, la eficiencia adquirida mediante este novedoso llamado "método de diseño inverso" ayuda a superar un problema existente: los componentes solo eran adecuados para una función específica. Gracias al nuevo concepto propuesto, un dispositivo base puede modificarse fácilmente para realizar cualquier función deseada.

Qi Wang, el autor principal del estudio publicado en Nature Communications, propuso aplicar un método que se usa en fotónica al campo de la magnónica, donde el enfoque funciona aún mejor. Los tres principios básicos ilustrados en la figura ayudan a explicar el proceso. Primero, los investigadores establecen la función deseada del componente, por ejemplo, un circulador en Y, uno de los componentes más comunes para separar direcciones de señal en tecnología de sistemas. Este componente es un dispositivo que dirige ondas de espín de una entrada a otra, según la condición de circulación: la onda de la entrada 1 debe dirigirse a la entrada 2, la de la entrada 2 a la entrada 3 y la de la entrada 3 a la entrada 1. Luego, esta "tarea" se traduce a un lenguaje informático. Finalmente, la computadora genera estructuras aleatorias y las optimiza paso a paso para lograr la funcionalidad deseada. Este proceso de prueba y error se realiza a gran velocidad y, gracias a un algoritmo inteligente, conduce a una solución optimizada. El resultado es el diseño de un dispositivo funcional con las funcionalidades previstas por los investigadores. Como expresa el Dr. Wang de la Universidad de Viena: " [...] abre la puerta a circuitos magnónicos integrados de gran escala, con cualquier funcionalidad y alta complejidad."

El enfoque presentado hace innecesario el diseño mediante experimentos que consumen mucho tiempo y, en cambio, destaca la importancia de la creatividad de los investigadores, quienes establecen los parámetros y objetivos para los dispositivos diseñados por la computadora. Un ejemplo de este proceso creativo proviene de Philipp Pirro, científico en la TU Kaiserslautern: "Con el diseño inverso, se podrían desarrollar neuronas similares a las que existen en nuestro cerebro, solo que construidas con elementos magnónicos."

El entusiasmo por las posibilidades de este enfoque se basa en su capacidad para crear diversas funcionalidades. En su artículo, los científicos describen cómo crearon una serie de dispositivos diferentes. Además del circulador en Y mencionado, construyeron un "multiplexor", que separa una onda con una frecuencia determinada en un canal y otra onda con una frecuencia diferente en otro canal. Este tipo de dispositivos se utilizan en nuestra vida diaria para permitir internet rápido. El último dispositivo demostrado es un "interruptor no lineal" que separa ondas de espín de diferentes energías: envía una onda de baja potencia a una salida y otra de alta potencia a otra. Sin embargo, Andrii Chumak, líder del grupo de investigación en la Universidad de Viena, señala: "Nuestro estudio abre un nuevo campo con grandes perspectivas, la magnónica de diseño inverso. Este enfoque ha sido demostrado solo numéricamente hasta ahora. El próximo gran desafío es implementarlo en experimentos."

En cuanto al potencial de sus hallazgos, Qi Wang comenta en broma: "¡Si hubiera tenido el enfoque de diseño inverso al comienzo de mis estudios, habría terminado mucho más rápido mi doctorado!"