06.03.202011:00

Calcolatori analogici super efficienti con le nanoantenne per onde di spin

Su Advanced Materials il rivoluzionario studio di fisica del Politecnico di Milano con partner internazionali


È stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Materials, come storia di copertina del 5 marzo 2020, un articolo che illustra una nuova metodologia per generare e manipolare come mai prima d’ora onde di spin in materiali magnetici nanostrutturati.

Questo lavoro apre la strada allo sviluppo di nano-processori per un’elaborazione analogica di informazioni straordinariamente rapida ed energeticamente efficiente.

La scoperta è frutto della collaborazione fra il gruppo di magnetismo di Edoardo Albisetti, Daniela Petti e Riccardo Bertacco del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, il gruppo di Elisa Riedo della Tandon School of Engineering della New York University, Silvia Tacchi dell’Istituto Officina dei Materiali (CNR-IOM) di Perugia, il Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e la beamline PolLux della Swiss Light Source, PSI, Svizzera.

Le onde di spin, chiamate anche magnoni, sono l’analogo delle onde elettromagnetiche per il magnetismo, e si propagano nei materiali come il ferro in maniera simile alle onde del mare. Rispetto alle onde elettromagnetiche, i magnoni sono caratterizzati da proprietà uniche che li rendono ideali per lo sviluppo di sistemi miniaturizzati di calcolo “analogico”, estremamente più efficienti dei sistemi digitali attualmente disponibili.

Modulare a proprio piacimento le onde di spin era fino ad oggi estremamente complesso.

Nell’articolo pubblicato su Advanced Materials, viene presentato un nuovo tipo di emettitori, le “nanoantenne magnoniche”, che permettono di generare onde di spin con forma e propagazione controllata.

Grazie ad esse, ad esempio, è possibile ottenere fronti d’onda radiali (come quelli di una pietra lanciata in uno stagno) o fronti d’onda planari (come le onde del mare sulla spiaggia), e anche creare fasci direzionali focalizzati.

Nell’articolo si dimostra inoltre che, utilizzando più nanoantenne contemporaneamente, si possono generare figure di interferenza “a comando”, condizione necessaria per poter sviluppare sistemi di computazione analogici.

Per realizzare le nanoantenne, è stata utilizzata la tecnica tam-SPL sviluppata al Politecnico di Milano in collaborazione con il laboratorio della prof.ssa Riedo, che permette di manipolare con precisione nanometrica le proprietà magnetiche del materiale di cui sono composte.

Le nanoantenne consistono in minuscole increspature nella magnetizzazione del materiale (chiamate “pareti di dominio” e “vortici”), che quando vengono messe in moto da un campo magnetico oscillante emettono onde di spin. Dato che le proprietà delle onde di spin sono legate alla tipologia e alle caratteristiche peculiari di queste increspature, controllandole molto bene è stato possibile modulare come mai prima d’ora le onde emesse.

Le onde di spin sono state misurate utilizzando una tecnica di microscopia a raggi X risolta in tempo disponibile presso la beamline PolLux della Swiss Light Source (Svizzera). Questa tecnica ha permesso ai ricercatori di visualizzare la propagazione delle onde di spin nel materiale, con alta risoluzione spaziale (inferiore ai 50 nanometri) e temporale (inferiore al nanosecondo).

Il lavoro ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione dell’Unione Europea Horizon 2020 attraverso l’azione Marie Skłodowska-Curie No 705326, progetto SWING (Patterning Spin-Wave reconfIgurable Nanodevices for loGics and computing).

Per saperne di più:
Optically-inspired nanomagnonics with nonreciprocal spin waves in synthetic antiferromagnets
Albisetti, E., Tacchi, S., Silvani, R., Scaramuzzi, G., Finizio, S., Wintz, S., Rinaldi, C., Cantoni, M., Raabe, J., Carlotti, G., Bertacco, R., Riedo, E., Petti, D., Optically Inspired Nanomagnonics with Nonreciprocal Spin Waves in Synthetic Antiferromagnets.
Advanced Materials 2020, 32, 1906439.
https://doi.org/10.1002/adma.201906439

In copertina "Onde di spin che si propagano in un materiale magnetico"