Simulazione: Nuovo circuito bidimensionale funziona con particelle quantistiche magnetiche

Dottoranda Qi Wang, prima autrice dello studio attuale Foto: TUK/Koziel

Il grafico mostra un circuito convenzionale (a sinistra) e un circuito magnonico, che utilizza una connessione bidimensionale. Foto: AG Hillebrands

Sullo Smartphone, calcolatore o macchina per dialisi – nessun dispositivo elettronico può fare a meno del chip e dei suoi circuiti elettronici. Gli singoli elementi di commutazione sono spesso cablati tramite strutture tridimensionali chiamate ponti. Gli scienziati stanno attualmente lavorando su una variante più potente presso il Technische Universität Kaiserslautern (TUK). Invece di elettroni, utilizzano particelle quantistiche chiamate magnoni. Nel modello hanno mostrato per la prima volta come siano possibili flussi di corrente per queste particelle in un circuito magnonico integrato. In questo modo, collegano gli elementi solo in due dimensioni. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata „Science Advances“.

Quando l’ingegnere americano Jack Kilby sviluppò nel 1960 il circuito integrato, si trattò di una vera rivoluzione tecnologica: inizialmente installato solo in una calcolatrice, questa tecnologia permise poco dopo il trionfo dei computer, che da allora utilizzano processori sempre più piccoli. „Questi circuiti costituiscono la base dell’elettronica odierna“, afferma il professore associato Dr. Andrii Chumak, che lavora presso la cattedra di Magnetismo del Professor Dr. Burkard Hillebrands alla TUK nel dipartimento di Fisica. Per i suoi lavori, Kilby, noto anche come padre del microchip, ha ricevuto nel 2000 il Premio Nobel per la fisica.

Gli scienziati, tra cui Chumak e il suo dottorando Qi Wang, primo autore dello studio attuale, stanno lavorando su una nuova generazione di circuiti. Utilizzano le onde di spin. „Queste possono trasportare informazioni sotto forma di momento angolare intrinseco in materiali magnetici“, prosegue Chumak. „Le particelle quantistiche di queste onde sono i magnoni.“ Rispetto agli elettroni, possono trasportare molte più informazioni, consumano meno energia e producono meno calore. Questo li rende interessanti, ad esempio, per computer più veloci e più potenti.

Nello studio appena pubblicato, gli scienziati descrivono per la prima volta un cosiddetto circuito magnonico integrato, in cui le informazioni vengono trasmesse tramite queste particelle. Come nei circuiti elettronici tradizionali, sono necessari conduttori e cosiddetti incroci di conduttori per collegare gli elementi di commutazione. Nella loro simulazione, i ricercatori sono riusciti a sviluppare un incrocio di questo tipo per i magnoni. „Abbiamo incluso nei nostri calcoli un fenomeno già noto in fisica, che viene utilizzato per la prima volta nella magnonica“, dice Qi Wang. „Quando due conduttori di magnoni sono molto vicini tra loro, le onde comunicano tra loro, cioè l’energia delle onde viene trasferita da un conduttore all’altro.“ Questo metodo è già utilizzato da tempo in ottica, ad esempio per trasmettere informazioni tra fibre ottiche (fibre di vetro).

Questo metodo viene sfruttato anche dal team „Nano-Magnonics“, parte della cattedra del Professor Hillebrands, con Chumak e Wang, per cablare gli elementi di commutazione su un chip magnonico in un modo innovativo. La particolarità: senza strutture tridimensionali di ponti nelle intersezioni dei conduttori. Nei circuiti classici, ciò è necessario per garantire il flusso di elettroni tra più elementi. „Nel nostro circuito utilizziamo un cablaggio bidimensionale piatto, in cui i conduttori di magnoni devono semplicemente essere affiancati“, spiega Wang. Questa „zona di contatto“ viene chiamata dai ricercatori accoppiatore direzionale. Con il modello, gli scienziati vogliono ora costruire un primo circuito magnonico.

Per la futura produzione di componenti per computer, si potrebbe risparmiare materiale e quindi anche costi con questi circuiti innovativi. Inoltre, le dimensioni delle componenti simulate sono nell’ordine dei nanometri, paragonabili ai componenti elettronici moderni. Tuttavia, la densità di informazioni nei magnoni è molte volte superiore.

Per i suoi lavori nel campo dei magnoni, il professore associato Chumak ha ricevuto nel 2016 un ERC Starting Grant, uno dei premi di ricerca più alti dell’UE. Il fisico e il suo dottorando Wang lavorano presso il Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), finanziato dalla regione Rheinland-Pfalz.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista „Science Advances“: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler“ DOI: 10.1126/sciadv.1701517