Le nanofibre magnoniche aprono la strada a un nuovo tipo di computer

La tavola di sinistra mostra una ripresa generata con un microscopio elettronico a scansione di un guida d'onda YIG larga 50 nm. L'antenna consente di eccitare onde di spin, che si propagano lungo la striscia. La tavola di destra mostra un dettaglio ingrandito della guida d'onda rispetto alla dimensione del coronavirus. (Fonte: TUK / Nano Structuring Center)

Il magnetismo offre da un lato nuove possibilità per sviluppare computer più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico, dall'altro la realizzazione del calcolo magnetico su scala nanometrica è un compito impegnativo. Un team di ricercatori di Kaiserslautern, Jena e Vienna riferisce di un progresso decisivo nel campo dei calcoli a bassissimo consumo energetico mediante onde magnetiche sulla rivista Nano Letters.

Una perturbazione locale nell'ordine magnetico di un magnete può propagarsi come un'onda attraverso un materiale. Queste onde sono chiamate onde di spin e le relative particelle quasi-particelle sono chiamate magnoni. Ricercatori del Technische Universität Kaiserslautern, di Innovent e.V. di Jena e dell'Università di Vienna sono noti per la loro esperienza nel campo della ricerca sulla «Magnonica». Qui, i magnoni vengono impiegati per lo sviluppo di nuovi tipi di computer che potrebbero integrare gli attuali processori basati su elettroni.

«Una nuova generazione di computer con magnoni potrebbe essere più potente e consumare meno energia. Una condizione fondamentale è che siamo in grado di produrre cosiddetti guide d'onda monomodali, che ci permettono di utilizzare schemi avanzati di elaborazione del segnale basati sulle onde», afferma il professore associato Philipp Pirro, uno dei principali scienziati del progetto. «Per farlo, dobbiamo spostare le dimensioni delle nostre strutture nell'ordine dei nanometri. Lo sviluppo di tali linee di trasmissione di dati apre, ad esempio, la strada allo sviluppo di sistemi di calcolo neuromorfici, ispirati alla funzione del cervello umano.»

Tuttavia, la scalabilità della tecnologia magnonica su scala nanometrica rappresenta una sfida: «Un materiale molto promettente per applicazioni magnetiche è il granato di ossido di ittrio e ferro (YIG). Lo YIG è una sorta di 'nobile materiale magnetico', poiché i magnoni in esso durano circa cento volte più a lungo rispetto ad altri materiali», afferma il responsabile del progetto, il professor Andrii Chumak dell'Università di Vienna. «Ma tutto ha il suo prezzo: lo YIG è molto complesso e difficile da gestire quando si tenta di realizzare strutture piccole. Per decenni, le strutture di YIG sono state di dimensioni millimetriche, e solo ora siamo riusciti a ridurle a 50 nanometri, circa 100.000 volte più piccole.»

Per questo motivo, presso il Nano Structuring Center del Technische Universität Kaiserslautern è stata sviluppata una tecnologia innovativa che utilizza gli strati di YIG coltivati dal ricercatore Dr. Carsten Dubs di Innovent e.V. di Jena. Su questo strato di YIG viene applicato un sottile rivestimento metallico, chiamato maschera, che lascia libero il maggior parte di questa superficie. Successivamente, il campione viene colpito con un intenso flusso di ioni argon, che rimuove le parti di YIG non protette, mentre il materiale sotto la maschera rimane intatto. Dopo, la maschera metallica viene rimossa, lasciando un nastro di 50 nm di spessore della struttura di YIG finita.

«Fondamentale per il successo dell'intero processo è stato trovare i materiali giusti per la maschera, determinare lo spessore necessario e regolare decine di parametri diversi per ottenere le proprietà desiderate di uno strato di YIG», afferma Björn Heinz, il principale autore della pubblicazione. «Dopo anni di studi, abbiamo finalmente trovato la tecnica adatta, una combinazione di strati di cromo e titanio. La larghezza della struttura di YIG è circa mille volte inferiore allo spessore di un capello umano. Dopo aver completato la strutturazione, i ricercatori hanno continuato a studiare la propagazione dei magnoni per verificare se le strutture di YIG di dimensioni nanometriche conservano le eccezionali proprietà di questo materiale.»

«Siamo riusciti a dimostrare che il processo di strutturazione ha avuto solo un modesto impatto sulle straordinarie caratteristiche di questo materiale», afferma Heinz. «Inoltre, abbiamo sperimentalmente dimostrato che i magnoni possono trasportare informazioni in modo efficiente su grandi distanze lungo le linee di trasmissione, come era stato ipotizzato in teoria. Questi risultati rappresentano un passo importante nello sviluppo di circuiti magnonici e dimostrano la fattibilità generale dell'elaborazione dei dati basata sui magnoni.»

La ricerca è stata condotta nell'ambito del ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), del Sonderforschungsbereich SFB 173 Spin+X (P. Pirro) e del progetto DFG DU 1427/2-1 (C. Dubs) ed è stata finanziata dal Landesforschungszentrum OPTIMAS.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano Letters: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657