Le onde di spin, minuscole oscillazioni della magnetizzazione in materiali magnetici, potrebbero diventare una delle chiavi per ridurre drasticamente il consumo energetico dei futuri sistemi di calcolo. Un nuovo studio condotto da ricercatori di Tohoku University, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. ed École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) mostra infatti un metodo in grado di guidare queste onde lungo percorsi complessi con un’efficienza fino a oltre 5.000 volte superiore rispetto ai sistemi convenzionali.
Un nuovo modo di guidare le onde di spin
Il punto centrale della ricerca riguarda la capacità di far percorrere alle onde di spin un tracciato a Z con angoli di 120° senza le forti perdite che caratterizzano i sistemi tradizionali. Le onde di spin, infatti, si indeboliscono rapidamente quando incontrano curvature o discontinuità nei materiali.
Per superare questo limite, riporta Interesting Engineering, il team ha utilizzato una struttura bidimensionale definita “cristallo magnonico”, composta da un film di rame perforato con una rete esagonale di micro-fori, appoggiato su un substrato di granato magnetico (YIG). Questa configurazione ha permesso di creare condizioni in grado di riflettere e guidare le onde indipendentemente dalla direzione di ingresso, un elemento chiave per il funzionamento del sistema.
Secondo i ricercatori, le simulazioni elettromagnetiche tridimensionali hanno evidenziato la formazione di una banda proibita magnonica completa, un risultato mai osservato prima in un cristallo bidimensionale basato su YIG.
Dal problema delle perdite alla svolta del design
Uno degli ostacoli principali nello sviluppo dei circuiti a onde di spin è sempre stato il cosiddetto degrado del segnale, soprattutto nelle curve strette dei waveguide. Il nuovo approccio ribalta un’idea sviluppata dallo stesso gruppo nel 2024: invece di utilizzare dischi di rame sul granato, i ricercatori hanno perforato un film continuo di rame creando una struttura completamente diversa.
“Bending a spin wave without losing it has been one of the hardest problems in this field”, ha spiegato Taichi Goto della Tohoku University, sottolineando come il nuovo design permetta di ridurre drasticamente le perdite. Il risultato è una trasmissione delle onde di spin lungo percorsi a Z circa 5,7 × 10³ volte più forte rispetto ai waveguide tradizionali, un salto prestazionale definito dagli autori come decisivo.
Simulazioni, risultati e potenziale applicativo
Il sistema è ottimizzato tramite tecniche di simulazione avanzata, evidenziando una banda proibita di 15,1 MHz centrata a 1,811 GHz. All’interno della struttura, le onde di spin vengono guidate attraverso un “difetto lineare”, ottenuto rimuovendo una fila di fori nel cristallo magnonico.
Il risultato è un canale estremamente efficiente, capace di mantenere la propagazione del segnale anche in presenza di curve strette. Un aspetto cruciale, considerando che le onde di spin sono già viste come una possibile alternativa agli elettroni nei circuiti futuri, grazie alla loro capacità di trasportare informazione con una produzione di calore molto inferiore.
Il gruppo ha inoltre depositato una domanda di brevetto per la struttura del waveguide, segnalando un potenziale interesse verso applicazioni pratiche nei sistemi di calcolo di nuova generazione.
