Dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico grazie alla tecnologia a spinte

Professore associato Dr. Philipp Pirro (link) e Professore Dr. Mathias Weiler. (Visualizza/Voss TUK)

Smartphone, Smartwatch o un normale computer – i dispositivi elettronici consumano molta energia. Le nuove tecnologie, rese possibili dalla ricerca sullo spin, possono aiutare a ridurre il consumo, ad esempio integrandosi nei semiconduttori e nei microchip comuni. Alla TU Kaiserslautern (TUK) sono in corso due nuovi progetti di ricerca finanziati dall'Unione Europea (UE) che affrontano questa tematica. Uno è coordinato presso la TUK e finanziato dall'UE con 3,3 milioni di euro, di cui 525.000 euro destinati a Kaiserslautern. L'altro progetto è guidato in Belgio. Per questo, l'UE mette a disposizione circa tre milioni di euro, di cui 310.000 euro sono destinati alle attività presso la TUK.

Per rendere i dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico, la ricerca si concentra sull'utilizzo delle onde di spin e delle loro particelle quantistiche, i magnoni. Questi possono trasportare più informazioni rispetto agli elettroni e consumano significativamente meno energia. Le onde di spin sono invece le eccitazioni collettive dei momenti magnetici in un materiale magnetico. Lo spin è il momento angolare intrinseco di una particella quantistica, come un elettrone o un neutrone. È alla base di tutti i fenomeni magnetici.

Nei due progetti finanziati dall'UE si mira a trasferire le conoscenze della ricerca sullo spin e sulla magnonica in applicazioni pratiche. In "Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing" (M&MEMS), si intende rendere la tecnologia dello spin compatibile con i dispositivi elettronici esistenti.

Il team si basa sulla combinazione di sistemi magnionici con sistemi micromeccanici, i cosiddetti chip MEMS. MEMS sta per "micro-electro-mechanical systems". "Si tratta, ad esempio, di motori microscopici o sensori di accelerazione, presenti anche negli smartphone", spiega il coordinatore del progetto, il dottorando Philipp Pirro, che lavora nel campo del magnetismo alla TUK. "I sistemi magnionici possono essere controllati tramite campi magnetici. Questi vengono solitamente generati da elettromagneti, che finora richiedono energia." Il suo collega, il professor Dr. Mathias Weiler, che studia i fenomeni spin applicati alla TUK, aggiunge: "Questo rende il processo ancora inefficiente."

Qui entrano in gioco questi sistemi micromeccanici. "Vogliamo posizionare piccoli magneti permanenti per generare un campo magnetico", prosegue Weiler. "Una volta fatto, non serve più energia." La forza del campo magnetico può essere regolata avvicinando o allontanando il magnete dall'elemento magnionico. In questo modo, il consumo energetico sarebbe molto basso. "Questo è particolarmente interessante per i dispositivi mobili", cita Pirro come esempio.

Il progetto, coordinato dalla Technische Universität Kaiserslautern (TUK), coinvolge otto partner di cinque paesi dell'UE. Tra questi ci sono università come il TUM di Monaco e il Politecnico di Milano, oltre a aziende leader nel settore delle comunicazioni a radiofrequenza come Nokia e Thales. Alla TUK, Pirro e Weiler sono supportati dal professor Dr. Burkard Hillebrands, responsabile del gruppo di lavoro sul magnetismo.

Nel secondo progetto finanziato, "Computation Systems Based on Hybrid Spin-wave–CMOS Integrated Architectures" (SPIDER), si lavora anch'esso su elementi magnionici. "Vogliamo costruire un sistema in cui la magnonica sia collegata a un normale computer e integrata nei comuni componenti a semiconduttore", spiega Pirro. L'obiettivo è lavorare con i cosiddetti Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, abbreviati in CMOS. Sono presenti in tutti i computer tradizionali. "Se riusciamo a rendere compatibile la magnonica con le tecniche e i chip già esistenti, avremo una soglia di ingresso più bassa per applicare la magnonica."

Oltre alla TUK e alla Fraunhofer-Gesellschaft, partecipano al progetto altri quattro partner europei. La coordinazione avviene presso l'Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) di Lovanio, in Belgio.

Le attività di entrambi i progetti si svolgeranno nel nuovo edificio di ricerca LASE (Laboratorio per l'Avanzata Spin Engineering) nel campus della TUK, dove ricercatori di fisica, chimica e ingegneria studieranno insieme i fenomeni di spin. Recentemente, il professor Weiler e il dottorando Pirro hanno ricevuto ciascuno un ERC Grant dal Consiglio Europeo della Ricerca (European Research Council, ERC) per ulteriori ricerche nel campo dello spin. Gli ERC Grants sono tra i finanziamenti di ricerca più prestigiosi al mondo.

Le basi dei progetti sono state poste dai team dei due fisici anche grazie a lavori svolti presso il centro di ottica e scienza dei materiali finanziato dallo stato, chiamato OPTIMAS, e nel progetto di ricerca speciale "Spin + X", finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Nel quadro dei nuovi progetti, saranno create anche posizioni di ricerca scientifica. Chi possiede le qualifiche appropriate può candidarsi senza esitazioni.

Per domande:

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Dipartimento di Magnetismo / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Professor Dr. Mathias Weiler
Fenomeni di spin applicati / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4099
E-mail: weiler(at)physik.uni-kl.de