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Cavalcando l’onda (quantum magnetic) .Magnonica.
L’elettronica di prossima generazione un salto più vicino alla realtà
Nel 1991, il chimico della University of Utah Joel Miller ha sviluppato il primo magnete con componenti a base di carbonio o organici che era stabile a temperatura ambiente. È stato un grande progresso in termini di magnetismo e da allora ha esplorato le applicazioni.
Venticinque anni dopo, i fisici Christoph Boehme e Valy Vardeny hanno dimostrato un metodo per convertire le onde quantiche in corrente elettrica. Anche loro, sapevano di aver scoperto qualcosa di importante, ma non ne conoscevano l’applicazione.
Ora quelle tecnologie si sono unite e potrebbero essere il primo passo verso una nuova generazione di elettronica più veloce, più efficiente e più flessibile.
Lavorando insieme, Miller, Boehme, Vardeny e i loro colleghi hanno dimostrato che un magnete a base organica può trasportare onde di magnetizzazione meccanica quantistica, chiamate magnoni, e convertire tali onde in segnali elettrici. È una svolta per il campo della magnonica (sistemi elettronici che utilizzano magnoni anziché elettroni) perché i magnoni erano stati precedentemente inviati attraverso materiali inorganici che sono più difficili da gestire
“Passando a questi materiali organici, abbiamo l’opportunità di spingere la magnonica in un’area più controllabile rispetto ai materiali inorganici “, afferma Miller. I loro risultati sono pubblicati su Nature Materials.
Come funziona la magnonia
Prima di procedere, parliamo di cosa sia un magnon e di come possa essere usato in elettronica. L’elettronica corrente utilizza gli elettroni per trasportare informazioni lungo i fili. I magnoni possono anche condurre le informazioni attraverso i materiali, ma invece di essere composti da elettroni, i magnoni sono onde composte da una proprietà quantistica chiamata rotazione.
Immagina uno stadio di calcio pieno di fan entusiasti che usano le braccia per tifare per la loro squadra. Diciamo che la direzione in cui le loro braccia puntano è il loro orientamento di rotazione. Se ogni tifoso tiene le braccia dritte in aria contemporaneamente, allora l’orientamento di rotazione di tutti è lo stesso e hanno fatto, in sostanza, un magnete.
Ora la folla inizia “The Wave”, tranne che in piedi e seduti, un corridoio di fan inclina le braccia verso destra. Il corridoio successivo riprende questo cambio di spin e lo passa alla fila successiva. In poco tempo, questo magnete ha un’onda basata sullo spin che scorre intorno allo stadio.
La versione quantistica dell’onda basata su spin è un magnone.
“Ora hai un modo per trasmettere informazioni in un materiale”, dice Boehme, professore di fisica e coautore della carta. “Puoi pensare alla magnonica come l’elettronica: hai circuiti e quando riesci a costruire la logica digitale da questo, puoi anche costruire computer”.
Bene, non ancora. Sebbene i magnoni siano noti alla scienza da decenni, solo di recente è stato realizzato il loro potenziale per l’elettronica di costruzione.
Attualmente, la maggior parte dei ricercatori di magnonics utilizzano il glorea di ferro yttrium (YIG) come materiale per il trasporto delle onde. È costoso e difficile da produrre, specialmente come un film sottile o un filo. Boehme dice che una volta ha considerato di incorporare YIG in uno dei suoi strumenti e ha dovuto rinunciare perché il materiale si è rivelato così problematico da gestire per quella particolare applicazione.
Assemblare la squadra
Boehme e Vardeny, illustre professore di fisica, studiano anche il campo delle alternative all’elettronica chiamata spintronica, di cui la magnonica è un sottocampo. Nel 2016 hanno mostrato come osservare direttamente l’effetto “inverse spin hall”, un modo per convertire le onde di spin in corrente elettrica.
Hanno iniziato a collaborare con Miller attraverso un Centro di ricerca e ingegneria per la ricerca sui materiali (MRSEC) finanziato dalla National Science Foundation presso l’Università dello Utah. Nel 1991, Miller aveva prodotto il primo materiale magnetico utilizzando componenti organici o basati sul carbonio. I tre decisero di testare il magnete organico di Miller per vedere se potesse essere usato come alternativa ai YIG nei materiali magnonici. Hanno testato la risonanza dello spin dell’elettrone (ESR), una misura della durata dei magnoni nel materiale. Più stretta è la linea ESR, più lunga è la durata dei magnoni.
La linea era davvero molto stretta, dice Vardeny. “È una linea stretta da record .”
Ma lavorare con il magnete a base organica, noto come vanadio tetracyanoethylene o V (TCNE) x , ha comunque presentato alcune sfide. Il materiale è altamente sensibile all’ossigeno, simile ai magneti delle terre rare. “Se è appena fatto, probabilmente prenderà fuoco”, dice Miller. “Perderà il suo magnetismo”. Il team doveva gestire i film sottili di V (TCNE) x in condizioni di scarso ossigeno.
Condurre esperimenti richiedeva un concerto di attività, con membri del gruppo di ricerca ciascuno al posto giusto al momento giusto per portare avanti la fase successiva dell’esperimento.
“Conta il numero di autori sulla carta”, dice Boehme. “Ogni volta che eseguivamo un esperimento, tutti dovevano stare lì e essere pronti in tempo per partecipare a questo processo.” Si incominciò con uno degli studenti di Miller che arrivava alle 4 del mattino per preparare un materiale precursore e continuò per due o tre giorni ininterrottamente mentre i gruppi di ricerca passavano il testimone di materiale e dati.
Non tutte le tappe sperimentali hanno avuto successo. All’inizio, il team ha appreso che il connettore in rame che stavano usando per convertire i magnoni in elettricità usando l’effetto di rotazione inversa di Hall stava reagendo con la V (TCNE) x e quindi non avrebbe funzionato. Un passaggio ai contatti di platino nello step successivo ha avuto successo.
Risultati promettenti
Alla fine, il team ha riferito di essere in grado di generare magnoni stabili in magneti organici e convertire quelle onde di spin in segnali elettrici, un importante trampolino di lancio. La stabilità dei magnoni nella V (TCNE) x era buona come quella di YIG.
I ricercatori sperano che questo progresso porti a maggiori progressi verso la magnonica che sostituisce l’elettronica, dal momento che i sistemi magnonici potrebbero essere più piccoli e più veloci dei sistemi attuali con meno dispersioni di calore e molto meno energia richiesta. L’elettronica convenzionale funziona su una scala di volt, dice Boehme. I magneti operano su una scala di millivolt, contenente circa 1.000 volte meno energia.
La squadra successiva spera di lavorare su circuiti magnonici usando V (TCNE) x , e anche testare altri materiali. “Ci sono molti magneti a base organica”, dice Boehme. “Non c’è motivo di credere che se ne scegli a caso uno, è necessariamente il migliore.”
Non è ancora stato visto, tuttavia, che la promessa della magnonica possa portare al di là di un’elettronica più veloce, più piccola e più efficiente. “Non possiamo anticipare”, afferma Miller, “cosa non possiamo anticipare”.
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