Elaborazione dei dati raggiunge la dimensione più piccola: "Nano-circuito integrato" fatto di magnon puri

Fig. 1: Il coupler direzionale è rappresentato con una struttura atomica visibile. L'onda di spin salta da un filo di nanowire a un altro – dove i fili si avvicinano. (Niels Paul Bethe, SYNC audiovisual design)

Fig. 2: La funzionalità principale del coupler direzionale nanoscopico consiste nel poter indirizzare un'onda di spin in funzione della sua frequenza, della sua intensità o del campo magnetico applicato verso diverse uscite. (Qi Wang, Università di Vienna)

Ricercatori guidati dalla Technische Universität Kaiserslautern (TUK) e dall'Università di Vienna sono riusciti a costruire il componente di base per un nuovo circuito elettronico: invece di elettroni, i magnoni in formato nano si occupano della trasmissione delle informazioni. Il cosiddetto “semiproduttore di magnon” descritto sulla rivista specializzata Nature Electronics, necessita di soli tre nanodrini e di molta meno energia rispetto ai moderni chip dei computer.

Un team di fisici ha raggiunto una pietra miliare nella ricerca di componenti più piccoli ed energeticamente più efficienti per l'elaborazione dei dati tramite computer: insieme hanno sviluppato un circuito integrato di materiale magnetico e magnoni. Con questo si possono trasmettere dati binari – una sequenza di uno e zero – su cui si basa il linguaggio fondamentale dei computer e degli smartphone di oggi.

Il nuovo circuito è estremamente piccolo e presenta un design 2D aerodinamico, che utilizza circa dieci volte meno energia rispetto ai moderni chip di computer che impiegano tecnologia CMOS. Il prototipo attuale di magnone non è ancora veloce come il sistema CMOS. Tuttavia, la dimostrazione riuscita apre ora la possibilità di approfondire la ricerca sul semiproduttore di magnon in vista di applicazioni nel calcolo quantistico o neuromorfico.

Collaborazione di successo

Il prototipo è il risultato di una ricerca durata quattro anni, finanziata da un Starting Grant del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) per Andrii Chumak. Sono stati coinvolti strettamente il Prof. Philipp Pirro, associato alla TUK, e il Dr. Qi Wang, attualmente ricercatore post-dottorato all’Università di Vienna. Il Prof. Chumak ha iniziato il lavoro alla TUK e ora dirige un gruppo di ricerca presso l’Università di Vienna.

“Siamo molto felici che il progetto, già pianificato alcuni anni fa, sia ora riuscito. E il risultato è addirittura migliore delle aspettative”, afferma Chumak. La prima bozza del circuito di magnon era ancora molto complessa. Un ringraziamento va a Wang, autore principale del lavoro, che ha migliorato il design “almeno cento volte” nel corso del progetto. “Ora vediamo che i circuiti basati sui magnon possono essere altrettanto validi quanto quelli CMOS. Tuttavia, questo non basta ancora per entusiasmare l’industria. Per farlo, il nostro circuito dovrebbe probabilmente essere almeno cento volte più piccolo e funzionare cento volte più velocemente”, dice Chumak. “Nonostante ciò, il nostro componente apre possibilità straordinarie oltre i dati binari, ad esempio per il calcolo quantistico magnonico a temperature molto basse. Pirro aggiunge: “Siamo anche interessati ad adattare il circuito per computer neuromorfi basati sui magnon, che si ispirano al funzionamento del nostro cervello.”

Come funziona

Le componenti del circuito nano misurano meno di un micrometro, sono molto più sottili di un capello umano e sono appena visibili al microscopio. Il circuito è costituito da tre nanodrini di un materiale magnetico chiamato granato di ittrio-ferro. I drini sono posizionati strettamente uno accanto all’altro per formare due accoppiatori di direzione, che guidano i magnoni lungo i drini. I magnoni sono quanti di onde di spin – si possono immaginare come onde sulla superficie di uno stagno dopo aver lanciato un sasso. In questo caso particolare, le onde sono generate da distorsioni nell’ordine magnetico di un materiale solido a livello quantistico. Il team ha investito molto lavoro per trovare la lunghezza ottimale dei nanodrini e la distanza migliore tra di essi per ottenere i risultati desiderati. Wang ha lavorato al progetto per la sua tesi di dottorato alla TUK. “Ho eseguito alcune centinaia di simulazioni per diversi tipi di semiproduttori”, dice. “Il prototipo attuale è il terzo o quarto progetto.”

Nel primo accoppiatore, dove due drini sono molto vicini, la onda di spin si divide in due metà. Una metà va verso il secondo accoppiatore, dove rimbalza tra i drini. A seconda dell’ampiezza, l’onda emerge dal drino superiore o inferiore, corrispondendo a un “1” binario o a uno “0”. Poiché il circuito contiene due accoppiatori di direzione che sommano due flussi di informazione, si ottiene un semiproduttore, uno dei componenti più universali dei chip dei computer. Milioni di questi circuiti possono essere combinati per eseguire calcoli e funzioni sempre più complessi.

“Quello che in un normale computer richiede tipicamente centinaia di componenti e 14 transistor, qui richiede solo tre nanodrini, una onda di spin e fisica non lineare”, riassume Pirro.

Applicazioni future

Pirro, che attualmente dirige il campo di Spintronic-Computing (Spintronic = elettronica di spin) presso la TUK nell’ambito del progetto di ricerca “Spin+X”, ora studierà l’uso del circuito di magnon per il calcolo neuromorfo. Si tratta di un’elaborazione dei dati che si ispira al funzionamento del cervello umano, piuttosto che alla logica binaria. Le onde di spin sono più adatte a un design più complesso e tollerante al rumore. Hanno anche il potenziale di trasportare molte più informazioni, poiché offrono due parametri – l’ampiezza, cioè l’altezza dell’onda, e la fase, cioè l’angolo dell’onda. Nel progetto attuale, il team non ha ancora usato la fase come variabile, per mantenere il sistema il più semplice possibile per l’elaborazione binaria.

“Se questo dispositivo può già competere con i CMOS, anche senza sfruttare tutto il potenziale delle onde, possiamo essere abbastanza sicuri che un concetto che utilizza l’intero spettro di potenza delle onde di spin possa essere più efficiente in settori specifici rispetto ai CMOS”, afferma Pirro. “L’obiettivo finale è naturalmente combinare i punti di forza della tecnologia CMOS e di quella magnonica.”

Risposte alle domande:

Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro
Technische Universität Kaiserslautern  
Tel.: +49 631 205 4092    
E-mail: ppirro[a]physik.uni-kl.de

Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Università di Vienna
Tel.: +43 1 4277-73910
E-mail: andrii.chumak[a]univie.ac.at