El procesamiento de datos alcanza la dimensión más pequeña: un «nano-circuito» integrado hecho de magnones puros

Fig. 1: El acoplador direccional está representado con estructura atómica visible. La onda de espín salta de un conductor de nanohilo a otro conductor de nanohilo, donde los conductores se acercan entre sí. (Niels Paul Bethe, SYNC diseño audiovisual)

Fig. 2: La funcionalidad principal del acoplador direccional nanoscópico consiste en que puede dirigir una onda de espín en función de su frecuencia, su intensidad o del campo magnético aplicado a diferentes salidas. (Qi Wang, Universidad de Viena)

Investigadores bajo la dirección de la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK) y la Universidad de Viena han logrado construir la pieza fundamental para un nuevo circuito computacional: en lugar de electrones, los magnones en formato nanométrico se encargan de la transmisión de información. El llamado “semi-sumador magnónico”, descrito en la revista especializada Nature Electronics, requiere solo tres nanohilos y mucho menos energía que los chips de computadora modernos.

Un equipo de físicos ha alcanzado un hito en la búsqueda de componentes más pequeños y energéticamente eficientes para el procesamiento de datos asistido por computadora: en colaboración, han desarrollado un circuito integrado de material magnético y magnones. Con ello, se pueden transmitir datos binarios – una secuencia de unos y ceros – sobre los cuales se basa el lenguaje fundamental de las computadoras y teléfonos inteligentes actuales.

El nuevo circuito es extremadamente pequeño y presenta un diseño 2D aerodinámico, que consume aproximadamente diez veces menos energía que los chips modernos que utilizan tecnología CMOS. Aunque el prototipo actual de magnón no es tan rápido como el sistema CMOS, la demostración exitosa abre la oportunidad de seguir investigando el semi-sumador magnónico en relación con aplicaciones en computación cuántica o neuromórfica.

Colaboración exitosa

El prototipo es el resultado de cuatro años de investigación, financiados por una Beca de Inicio del Consejo Europeo de Investigación (ERC) para Andrii Chumak. Participaron estrechamente el profesor asociado Dr. Philipp Pirro de la TUK y el Dr. Qi Wang, quien actualmente trabaja como postdoc en la Universidad de Viena. El profesor universitario Chumak comenzó su trabajo en la TUK y ahora lidera un grupo de investigación en la Universidad de Viena.

“Estamos muy contentos de que el proyecto, que ya había sido planificado hace algunos años, haya logrado éxito ahora. Y el resultado es incluso mejor de lo esperado”, dice Chumak. La primera versión del circuito de magnón aún era muy compleja. Agradece a Wang, el autor principal del trabajo, quien en el transcurso del proyecto mejoró el diseño “al menos cien veces”. “Ahora vemos que los circuitos basados en magnones pueden ser tan buenos como los CMOS. Sin embargo, eso todavía no es suficiente para entusiasmar a la industria. Para ello, nuestro circuito probablemente tendría que ser al menos cien veces más pequeño y funcionar cien veces más rápido”, dice Chumak. “No obstante, nuestro componente abre posibilidades fantásticas más allá de los datos binarios, por ejemplo, para cálculos cuántico-magnónicos a temperaturas muy bajas. Pirro añade: ‘También estamos interesados en adaptar el circuito para computadoras neuromórficas magnónicas, que se inspiran en el funcionamiento de nuestro cerebro.’”

Cómo funciona

Los componentes del nanocircuito miden menos de un micrómetro, son mucho más delgados que un cabello humano y apenas visibles con microscopio. El circuito consta de tres nanohilos hechos de un material magnético llamado granate de itrio y hierro. Los hilos se colocan muy juntos para formar dos acopladores de dirección, que guían los magnones a través de los hilos. Los magnones son cuanta de ondas de espín – se pueden imaginar como ondas en la superficie de un estanque después de lanzar una piedra. En este caso particular, las ondas se forman por distorsiones en el orden magnético de un material sólido a nivel cuántico. El equipo invirtió mucho trabajo en determinar la longitud óptima de los nanohilos y la mejor distancia entre ellos para lograr los resultados deseados. Wang trabajó en el proyecto para su doctorado en la TUK. “He realizado unas pocas centenas de simulaciones para diferentes tipos de semi-sumadores”, dice. “El prototipo actual es la tercera o cuarta versión.”

En el primer acoplador, donde dos hilos están muy cercanos, la onda de espín se divide en dos mitades. Una mitad va al segundo acoplador, donde rebota entre los hilos. Dependiendo de la amplitud, la onda sale por uno u otro hilo, lo que corresponde a un “1” binario o un “0”. Como la circuitería contiene dos acopladores direccionales que suman dos flujos de información, forma un semi-sumador, uno de los componentes más universales de los chips de computadora. Se pueden combinar millones de estos circuitos para realizar cálculos y funciones cada vez más complejos.

“Lo que en las computadoras normales requiere típicamente cientos de componentes y 14 transistores, aquí solo necesita tres nanohilos, una onda de espín y física no lineal”, resume Pirro.

Aplicaciones futuras

Pirro, quien actualmente lidera en la TUK el área de computación spintrónica (Spintronic = Electrónica de espín) dentro del programa de investigación “Spin+X”, ahora investigará el uso del circuito de magnones para cálculos neuromórficos. Aquí no se trata de procesamiento de datos según el principio binario, sino de imitar el funcionamiento del cerebro humano. Las ondas de espín son mucho más adecuadas para un diseño más complejo y tolerante al ruido. También tienen el potencial de transportar mucha más información, ya que ofrecen dos parámetros: la amplitud, es decir, la altura de la onda, y la fase, o sea, el ángulo de la onda. En el enfoque actual, el equipo aún no utilizaba la fase como variable, para mantenerlo lo más simple posible para el procesamiento binario de datos.

“Si este dispositivo ya puede competir con CMOS, incluso sin aprovechar todo el potencial de las ondas, podemos estar bastante seguros de que un concepto que utilice toda la gama de capacidades de la onda de espín puede ser más eficiente en áreas específicas que CMOS”, dice Pirro. “Porque el objetivo final es, por supuesto, combinar las fortalezas de la tecnología CMOS y la magnónica.”

Responder preguntas:

Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro
Universidad Técnica de Kaiserslautern  
Tel.: +49 631 205 4092    
Correo electrónico: ppirro[a]physik.uni-kl.de

Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Universidad de Viena
Tel.: +43 1 4277-73910
Correo electrónico: andrii.chumak[a]univie.ac.at