Computer come designer di componenti magnonici

Schema del processo di progettazione inversa per componenti magnonici. (Immagine: Chloe Kim, Time Illustration Studio) / Lo schizzo della progettazione inversa della magnonica (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

Gli elementi magnonici hanno il potenziale di rivoluzionare l'industria dell'elettronica. Qi Wang e Andrii Chumak dell'Università di Vienna, insieme a Philipp Pirro della TU Kaiserslautern, hanno accelerato significativamente la progettazione di elementi magnonici versatili attraverso un algoritmo basato sul feedback. Il loro "design inverso" di elementi magnonici è ora pubblicato su Nature Communications.

Il campo della magnonica offre un nuovo tipo di elaborazione delle informazioni a basso consumo energetico, in cui i magnoni, i quanti delle onde di spin, trasmettono e elaborano i dati al posto degli elettroni. L'obiettivo di questo campo è creare circuiti magnonici più piccoli ed energeticamente più efficienti rispetto ai circuiti elettronici attuali.

Fino a poco tempo fa, lo sviluppo di un elemento magnonico funzionante poteva richiedere anni di tentativi ed errori. Ora, ricercatori dell'Università di Vienna e della TU Kaiserslautern hanno sviluppato un nuovo metodo che consente di progettare nuovi elementi in un tempo molto più breve. Inoltre, l'efficienza ottenuta attraverso questa nuova cosiddetta "metodologia di progettazione inversa" aiuta a superare un problema precedente: i componenti erano adatti a una sola funzione. Grazie al nuovo concetto proposto, un dispositivo di base può essere facilmente modificato per eseguire qualsiasi funzione desiderata.

Qi Wang, primo autore dello studio pubblicato su Nature Communications, ha proposto di applicare un metodo utilizzato nel campo della fotonica alla magnonica, dove l'approccio funziona ancora meglio. I tre principi fondamentali illustrati nell'immagine aiutano a spiegare il processo. Innanzitutto, i ricercatori definiscono la funzione desiderata del componente, ad esempio un circolatore Y, una delle componenti più comuni per la separazione delle direzioni del segnale nei sistemi tecnologici. Questo componente è un dispositivo che guida le onde di spin da un terminale a un altro, secondo la condizione di circolazione: l'onda dal terminale 1 deve essere indirizzata al terminale 2, quella dal terminale 2 al terminale 3 e da quello al terminale 1. Successivamente, questa "compito" viene tradotto in un linguaggio informatico. Infine, il computer genera strutture casuali e le ottimizza passo dopo passo per raggiungere la funzionalità desiderata. Questo processo di tentativi ed errori viene eseguito ad altissima velocità e, grazie a un algoritmo intelligente, porta a una soluzione ottimizzata. Il risultato è la progettazione di un dispositivo funzionante con le funzionalità previste dai ricercatori. Come afferma il dott. Wang dell'Università di Vienna: "[...] apre la porta a circuiti magnonici integrati di grandi dimensioni, con funzionalità arbitrarie e alta complessità."

Il metodo presentato rende superfluo il ricorso a esperimenti lunghi e laboriosi, sottolineando invece l'importanza dell'immaginazione dei ricercatori, che definiscono i parametri e gli obiettivi per i dispositivi progettati dal computer. Un esempio di questo processo creativo viene da Philipp Pirro, scienziato della TU Kaiserslautern: "Con il design inverso si potrebbero sviluppare neuroni come quelli presenti nel nostro cervello, ma costruiti con elementi magnonici."

L'entusiasmo per le possibilità di questo approccio deriva dalla sua capacità di creare diverse funzionalità. Nel loro articolo, gli scienziati descrivono come abbiano realizzato una serie di dispositivi diversi. Oltre al circolatore Y menzionato, hanno realizzato un "multiplexer" che separa un'onda a una certa frequenza da un canale e un'onda a un'altra frequenza da un altro canale. Questo tipo di dispositivi viene utilizzato nella vita quotidiana per consentire Internet veloce. L'ultimo dispositivo dimostrato è un "interruttore non lineare" che separa onde di spin di energie diverse: invia un'onda a bassa potenza a un'uscita e un'onda ad alta potenza a un'altra. Tuttavia, Andrii Chumak, responsabile del gruppo di ricerca dell'Università di Vienna, sottolinea: "Il nostro studio apre un nuovo campo con grandi prospettive, la magnonica progettata inversamente. Questo approccio è stato finora dimostrato solo numericamente. La prossima grande sfida è realizzarlo sperimentalmente."