Simulación: Nuevo circuito bidimensional que funciona con partículas cuánticas magnéticas

Doctoranda Qi Wang, autora principal del estudio actual Foto: TUK/Koziel

La gráfica muestra un circuito convencional (izquierda) y un circuito magnonico, que utiliza un cableado bidimensional. Foto: AG Hillebrands

Ob Smartphone, Rechner o máquina de diálisis – ningún dispositivo electrónico puede prescindir del chip y sus circuitos electrónicos. Los componentes individuales están a menudo cableados mediante construcciones de puente tridimensionales conocidas como puentes. Actualmente, físicos trabajan en una variante más potente en la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK). En lugar de electrones, utilizan ciertas partículas cuánticas llamadas magnones. En el modelo, han demostrado por primera vez cómo es posible el flujo de corriente para estas partículas en un circuito magnónico integrado. Para ello, conectan los elementos solo en dos dimensiones. El estudio fue publicado en la revista especializada "Science Advances".

Cuando el ingeniero estadounidense Jack Kilby desarrolló el circuito integrado en la década de 1960, esto supuso una revolución técnica: inicialmente solo instalado en una calculadora, la tecnología permitió poco después la expansión de las computadoras, que desde entonces utilizan procesadores cada vez más pequeños. "Estos circuitos constituyen la base de nuestra electrónica actual", dice el profesor adjunto Dr. Andrii Chumak, que investiga en la cátedra de Magnetismo bajo el profesor Dr. Burkard Hillebrands en la TUK, en el departamento de Física. Por su trabajo, Kilby, también conocido como el padre del microchip, recibió en 2000 el Premio Nobel de Física.

Los físicos, junto con Chumak y su doctorando Qi Wang, primer autor del estudio actual, trabajan en una nueva generación de circuitos. Utilizan ondas de espín. "Estas pueden transportar información en forma de momento angular propio en materiales magnéticos", continúa Chumak. "Las partículas cuánticas de estas ondas son magnones." En comparación con los electrones, pueden transportar mucha más información, consumen mucho menos energía y generan menos calor. Esto los hace interesantes, por ejemplo, para computadoras más rápidas y potentes.

En el estudio publicado, los científicos describen por primera vez un llamado circuito magnónico integrado, en el que la información se transmite mediante estas partículas. Como en los circuitos electrónicos convencionales, aquí también son necesarios conductores y llamadas cruces de conductores para conectar los componentes individuales. En su simulación, los investigadores lograron desarrollar tal cruce para magnones. "Para ello, hemos incluido en nuestros cálculos un fenómeno que ya es conocido en física y que se usa por primera vez en la magnonica", dice Qi Wang. "Cuando dos conductores de magnones están muy juntos, las ondas interactúan entre sí, es decir, la energía de las ondas se transfiere de un conductor a otro." En óptica, esto ya se utiliza desde hace tiempo, por ejemplo, para transmitir información entre fibras ópticas.

El equipo de "Nano-Magnónica", parte de la cátedra del profesor Hillebrands, con Chumak y Wang, también aprovecha esto para cablear componentes en un chip magónico de una manera innovadora. Lo especial aquí es que no utilizan una construcción de puente tridimensional en los cruces de conductores. En los circuitos clásicos, esto es necesario para garantizar el flujo de electrones entre varios componentes. "En nuestro circuito, usamos un cableado bidimensional plano, en el que los conductores de magnones solo deben estar muy juntos", dice Wang. A esta "zona de contacto" la llaman los investigadores acoplador direccional. Con su modelo, los investigadores quieren construir ahora un primer circuito magnónico.

Para la futura producción de componentes de computadoras, estos circuitos innovadores podrían ahorrar material y, por lo tanto, costes. Además, el tamaño de los componentes simulados está en el rango de nanómetros, comparable con los componentes electrónicos modernos. Sin embargo, la densidad de información en los magnones es varias veces mayor.

Por su trabajo en el campo de los magnones, el profesor adjunto Chumak recibió en 2016 una ERC Starting Grant, uno de los premios de investigación más altos de la UE. El físico y su doctorando Wang trabajan en el Centro de Investigación de Óptica y Ciencia de Materiales (OPTIMAS), financiado por el estado de Renania-Palatinado.

El estudio fue publicado en la prestigiosa revista "Science Advances": "Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler" DOI: 10.1126/sciadv.1701517