Introduzione

L’avanzamento tecnlogico è stato sempre caratterizzato da un aspetto: realizzare dispositivi hi-tech più piccoli, più veloci, più efficienti rispetto a quelli precedenti. Gli scienziati, per queto motivo, stanno cercando di trovare soluzioni alternative a quelle usate sin ora che, in prospettiva, paleseranno limiti fisici. L’alternativa più valida individuata è quella del ricorso alle onde magnetiche. Un nuovo studio ha fornito un nuovo approccio per il loro utilizzo che avrà importanti applicazioni nel campo della microelettronica, tecnologie quantistiche e sui nuovi processi informatici.

La ricerca è stata condotta da Vladislav Demidov, dell’Institute for Applied Physics, Research Group Demokritov e Boris Divinskiy, Ph.D.  presso l’Institute for Nonlinear Magnetic Dynamics dell’Università di Münster e pubblicata sulla rivista Nature Communications .

Il problema e l’alternativa

Nei dispositivi tecnologici, che tutti utilizziamo quotidianamente come smartphone, pc e altro, il passaggio delle informazioni avviene attraverso tasmissione di dati elettronici. Questo metodo efficiente, sin ora, ha un limite fondamentale: man mano che i chip diventano sempre più piccoli, la trasmissione dei dati elettrici non può andare oltre certe soglie a causa dell’eccessivo calore che emettono gli elettroni generato dalla loro eccesiva vicinanza determiando, così, un’interruzione dei processi fisici.

Le onde magnetiche ad alta frequenza sono attualmente considerate come promettenti alternative al funzionamento convenzionale della trasmissione di dati mediante correnti elettriche perchè possono propagarsi anche nelle nanostrutture più piccole e quindi trasmettere ed elaborare informazioni. 

Ciò è possibile grazie al cosiddetto spin degli elettroni nel materiale magnetico che, semplificando, possiamo spiegarlo come una rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse. Tuttavia, le onde di spin in microelettronica sono state finora solo di utilità limitata, a causa del cosiddetto damping (smorzamento), che agisce sulle onde di spin e le indebolisce.

I fisici dell’Università di Münster (Germania) hanno ora sviluppato un nuovo approccio che elimina il damping indesiderato e semplifica l’uso delle onde di spin. “I nostri risultati mostrano un nuovo modo per l’applicazione di efficienti componenti spin-driven“, afferma Dr Vladislav Demidov.

L’esperimento

La magnonica è il nome del campo di ricerca in cui gli scienziati studiano gli spin degli elettroni e le loro onde in materiali magnetici. Il termine deriva dalle particelle del materiale magnetico, che sono chiamate magnoni, corrispondenti alle onde di spin.

Il modo migliore per compensare elettronicamente il fastidioso damping delle onde di spin è il cosiddetto effetto spin hall, scoperto alcuni anni fa. Gli elettroni in una corrente di spin vengono deviati lateralmente a seconda dell’orientamento del loro spin, il che rende possibile generare e controllare in modo efficiente le onde di spin nei nano-dispositivi magnetici. Tuttavia, i cosiddetti effetti non lineari nelle oscillazioni fanno sì che l’effetto spin hall non funzioni correttamente in applicazioni pratiche (una delle ragioni per cui gli scienziati non sono ancora stati in grado di realizzare onde di spin prive di damping).

Layout dell’esperimento. Sottili piastre magnetiche di Mu-metallo o di cobalto e nichel (blu) sono su uno strato sottile di platino (beige). Le anisotropie magnetiche agiscono sulle interfacce dei materiali. Gli effetti sono misurati con la luce laser (verde; spettroscopia di diffusione della luce di Brillouin). Credito: B. Divinskiy et al./Nature Communications

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno posizionato dischi magnetici fatti di permalloy o cobalto e nichel, spessi solo pochi nanometri, su un sottile strato di platino. Le cosiddette anisotropie magnetiche hanno agito sulle interfacce dei diversi materiali, il che significa che la magnetizzazione ha avuto luogo in una data direzione. Bilanciando le anisotropie dei diversi strati, i ricercatori sono stati in grado di sopprimere efficacemente il damping non lineare sfavorevole e quindi ottenere onde di spin coerenti, ovvero onde la cui frequenza e forma sono uguali. Ciò ha permesso agli scienziati di ottenere una completa compensazione del damping nel sistema magnetico, consentendo alle onde di propagarsi spazialmente.

Simulazioni magnetiche per dischi magnetici di 0,5 micrometri di diametro. Le distribuzioni spaziali della magnetizzazione dinamica in permalloy (a sinistra) e cobalto e nichel (a destra) sono visibili. Credit: B. Divinskiy et al./ Nature Communications

Previsioni

Gli scienziati prevedono che il loro nuovo approccio avrà un impatto significativo sugli sviluppi futuri della magnonica e della spintronica. “I nostri risultati aprono una strada per l’implementazione di oscillatori di spin hall in grado di generare segnali a microonde con livelli di potenza e coerenza tecnologicamente rilevanti“, sottolinea Boris Divinskiy.

Approfondimento