Le onde di spin per la computazione di prossima generazione

Oggi gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di sistemi informatici di prossima generazione in grado di elaborare informazioni in modo rapido e flessibile, oltre che efficiente sotto il profilo energetico. Anche il progetto SWING, finanziato dall'UE, contribuisce attivamente a questo obiettivo concependo un nuovo metodo per trasferire questi «super computer» dal progetto alla produzione.

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Published: 12 January 2021  
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Le onde di spin per la computazione di prossima generazione

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© Rawf8 #210786400, source: stock.adobe.com 2021

I computer che archiviano i dati dei loro utenti hanno tutti una cosa in comune: si tratta della tecnologia CMOS, ovvero un chip semiconduttore che memorizza ed elabora le informazioni. Fino ad oggi, per incrementare la potenza di calcolo l’unica soluzione è stata quella di ridurre le dimensioni dei chip e di aumentarne la quantità. Adesso stiamo tuttavia raggiungendo lentamente il limite per quanto riguarda questo potenziamento, per cui gli ingegneri non hanno avuto altra scelta che prendere in considerazione concetti alternativi volti a sostituire il CMOS.

Le onde di spin rappresentano uno di questi concetti e il progetto SWING si è prefisso di materializzare il loro potenziale di calcolo. «Il nostro progetto si presenta come una risposta alle limitazioni che ostacolano una delle principali alternative al CMOS, ovvero la computazione analogica a onde ottiche. Questo tipo di elaborazione si avvale dei segnali analogici e dei tipici fenomeni che caratterizzano le onde al posto della digitalizzazione, ma è condizionata da un importante svantaggio: la miniaturizzazione risulta difficile ed è limitata dalla lunghezza d’onda ottica», afferma Riccardo Bertacco, docente di fisica presso il Politecnico di Milano e coordinatore di SWING.

Sostituendo le onde ottiche con le onde di spin, Bertacco e il borsista Marie Skłodowska-Curie Edoardo Albisetti si augurano di aggirare questo problema. Come evidenzia Albisetti, «le onde di spin presentano un grande vantaggio: la loro lunghezza d’onda è molto inferiore rispetto a quella delle onde elettromagnetiche, con valori nell’ordine dei decimi di nanometro nell’intervallo GHz. Si tratta di un ordine di grandezza in meno rispetto ai valori riferiti alle lunghezze d’onda ottica, da cui ne consegue la possibilità di realizzare dispositivi integrati e compatibili con CMOS su scala submicronica per la computazione basata sulle onde».

Le onde di spin attraverso le pareti di dominio

In sostanza, le onde di spin sono disturbi che si propagano nell’allineamento degli spin all’interno dei materiali magnetici. Oltre al vantaggio intrinseco che le caratterizza, esse si comportano in modo analogo alle onde elettromagnetiche. Le loro eccitazioni magnetiche possono essere utilizzate per applicazioni di calcolo e di memoria e Albisetti ha già dimostrato con successo una piattaforma che se ne avvale per la computazione analogica.

«Abbiamo raggiunto tre risultati basilari», spiega Albisetti. «Innanzitutto, siamo riusciti a impiegare una nuova tecnica chiamata litografia magnetica a scansione di sonda assistita termicamente (tam-SPL, thermally assisted magnetic scanning probe lithography) per realizzare blocchi magnonici in grado di controllare le onde di spin. Successivamente, abbiamo sottoposto a dimostrazione l’impiego delle pareti di dominio magnetiche (le linee che separano due parti di una pellicola magnetica con diversa magnetizzazione uniforme) come circuiti per la propagazione e l’interazione delle onde di spin. Infine, abbiamo testato pareti di dominio strutturate di diverse forme (lineari, convesse, concave, ecc.) al fine di creare la nostra piattaforma per la computazione analogica».

Albisetti ha inventato la tecnica tam-SPL, fondamentale per gli altri risultati ottenuti dal progetto, durante il periodo di 6 mesi trascorso lavorando alla sua tesi di dottorato con Elisa Riedo presso il centro di ricerca Georgia Tech, negli Stati Uniti. Come sottolinea Bertacco: «Il progetto Marie Skłodowska-Curie è stato concepito con l’idea di sfruttare ulteriormente questa collaborazione. Dopo che Riedo si è unita al CUNY Advanced Science Research Centre, abbiamo voluto utilizzare la nuova strumentazione all’avanguardia a disposizione per sviluppare ulteriormente la tecnica tam-SPL. Inoltre, ci siamo proposti di applicarla alla prova di concetto di nuovi dispositivi fondati sulle onde di spin per la computazione basata sulle onde». Alla fine, il concetto del progetto di utilizzare le pareti di dominio come canali per la propagazione delle onde di spin o come fonti locali per la generazione di fronti d’onda potrebbe essere impiegato per costruire circuiti costituiti da tali pareti di dominio. In definitiva, essi potrebbero fungere da equivalente delle guide d’onda ottica nell’ottica integrata (risonatori, interferometri, ecc.), nonché da dispositivi per l’elaborazione di segnali analogici (filtri, analizzatori di spettro, ecc.) sulla base dell’interferenza dei fronti d’onda delle onde di spin.

«I nostri risultati aprono la strada a una gamma di possibilità che abbiamo appena iniziato a esplorare», dichiara Albisetti, che conclude: «Ci siamo concentrati con particolare attenzione su due interessanti sfide, ovvero studiare l’interazione delle onde di spin con strutture di spin più complesse ed estendere l’applicabilità della tecnica tam-SPL a diversi sistemi magnetici con applicazioni nel campo della spintronica».

Albisetti ha ricevuto di recente una sovvenzione di avviamento del Consiglio europeo della ricerca (CER) per il progetto B3YOND, che verterà sulla dimostrazione di un nuovo concetto di nanofabbricazione basato sulla tecnica tam-SPL.

Dettagli del progetto

  • Acronimo del progetto: SWING
  • Partecipanti: Italia (coordinamento), Stati Uniti
  • Progetto numero: 705326
  • Spesa totale: EUR 244 269
  • Contributo dell'UE: EUR 244 269
  • Durata: da novembre 2016 a ottobre 2019

  • Acronimo del progetto: B3YOND
  • Partecipanti: Italia
  • Progetto numero: 948225
  • Spesa totale: EUR 1 498 385
  • Contributo dell'UE: EUR 1 498 385
  • Durata: da febbraio 2021 a gennaio 2026

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