Una visione per il futuro del calcolo prevede l’utilizzo di onde nei campi magnetici, chiamate magnoni, come meccanismo di base. In questa applicazione, i magnoni sarebbero paragonabili all’elettricità come base per l’elettronica.
Nelle tecnologie digitali convenzionali, si prevede che tali sistemi magnonici siano molto più veloci delle tecnologie odierne, dai laptop e smartphone alle telecomunicazioni. Nel calcolo quantistico, i vantaggi della magnonica potrebbero includere non solo velocità maggiori, ma anche dispositivi più stabili.
Uno studio recente pubblicato sulla rivista Nature Physics riporta una scoperta iniziale lungo il percorso verso lo sviluppo di computer magnonici. I ricercatori hanno causato due tipi distinti di onde nel campo magnetico di una sottile lastra di lega, hanno misurato i risultati e hanno dimostrato che i magnoni interagiscono in modo non lineare. “Non lineare” si riferisce a un’uscita che non è direttamente proporzionale all’ingresso, una necessità per qualsiasi tipo di applicazione informatica.
Finora, la maggior parte delle ricerche in questo settore si è concentrata su un tipo di magnone alla volta, in condizioni relativamente stabili descritte come equilibrio. Manipolare i magnoni, come fatto in questi studi, spinge il sistema fuori dall’equilibrio.
Avanzando la fisica del non equilibrio
Questa è una delle molte indagini in corso attraverso una collaborazione pluriennale tra teorici e sperimentatori di molteplici campi della scienza e dell’ingegneria, inclusa una seconda ricerca che è apparsa di recente su Nature Physics. Il progetto, supportato da finanziatori governativi e privati, riunisce ricercatori da UCLA, MIT, University of Texas at Austin e University of Tokyo in Giappone.
“Con i nostri colleghi, abbiamo avviato quella che io chiamerei una campagna per stimolare il progresso nella fisica del non equilibrio”, ha detto Prineha Narang, coautrice dello studio e professore di scienze fisiche al UCLA College. “Quello che abbiamo fatto qui avanza fondamentalmente la comprensione dei fenomeni del non equilibrio e non lineari. E potrebbe essere un passo verso la memoria del computer che utilizza fenomeni ultra veloci che avvengono nell’ordine di miliardesimi di secondo.”
Una tecnologia chiave dietro queste scoperte è una tecnica avanzata per aggiungere energia e valutare campioni utilizzando laser con frequenze nell’intervallo dei terahertz, che si trova tra le lunghezze d’onda delle radiazioni a microonde e infrarosse. Adottato dalla chimica e dall’imaging medico, il metodo viene applicato solo raramente per studiare i campi magnetici.
Secondo Narang, che è membro dell’Istituto di NanoSistemi della California presso UCLA, l’uso dei laser terahertz suggerisce una potenziale sinergia con una tecnologia in crescita di maturità.
“La tecnologia terahertz ha raggiunto il punto in cui possiamo parlare di una seconda tecnologia che si basa su di essa”, ha detto. “Ha senso fare questo tipo di controllo non lineare in una banda dove abbiamo laser e rilevatori che possono essere messi su un chip. Ora è il momento di spingere davvero in avanti perché abbiamo sia la tecnologia che un interessante quadro teorico per guardare le interazioni tra magnoni.”
Svelare le interazioni non lineari nella magnonica
I ricercatori hanno applicato impulsi laser a una lastra spessa 2 millimetri fatta da una lega attentamente scelta contenente ittrio, un metallo presente nei LED e nella tecnologia radar. In alcuni esperimenti, è stato utilizzato un secondo laser terahertz in un modo coordinato che paradossalmente aggiungeva energia ma aiutava a stabilizzare i campioni.
Un campo magnetico è stato applicato all’ittrio in un modo specifico che permetteva solo due tipi di magnone. Gli investigatori sono stati in grado di guidare individualmente ciascun tipo di magnone o entrambi contemporaneamente ruotando il campione a certi angoli rispetto ai laser. Sono stati in grado di misurare le interazioni tra i due tipi e hanno scoperto che potevano causare risposte non lineari.
“Dimostrare chiaramente questa interazione non lineare sarebbe importante per qualsiasi tipo di applicazione basata sul processamento dei segnali”, ha detto il coautore Jonathan Curtis, un ricercatore post-dottorato della UCLA nel NarangLab. “Mescolare segnali in questo modo potrebbe permetterci di convertire tra diversi input e output magnetici, che è ciò di cui hai bisogno per un dispositivo che si basa sulla manipolazione delle informazioni magneticamente.”
Narang ha detto che i tirocinanti sono fondamentali per lo studio attuale, così come per il progetto più ampio.
“Questo è un impegno davvero difficile, pluriennale con molte parti”, ha detto. “Qual è il sistema giusto e come dobbiamo procedere per lavorarci? Come pensiamo a fare previsioni? Come limitiamo il sistema affinché si comporti come vogliamo? Non saremmo in grado di farlo senza studenti e post-dottorati di talento.”
Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere “Come la luce invisibile sta plasmando il futuro del calcolo ad alta velocità”.
