Le onde di spin per la computazione di prossima generazione / Spin waves for next generation computing

Le onde di spin per la computazione di prossima generazione / Spin waves for next generation computing

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported

 by Dr. Giuseppe Cotellessa

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 ad 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.

ENGLISH

The computers that store their users' data all have

 one thing in common: it's CMOS technology,

 which is a semiconductor chip that stores and

 processes information. Until now, to increase

 computing power, the only solution has been to

 reduce the size of the chips and increase their

 quantity. However, we are now slowly reaching

 the limit of this enhancement, so engineers have

 had no choice but to consider alternative

 concepts to replace CMOS.

Spin waves are one such concept and the SWING

 project set out to materialize their computational

 potential. «Our project presents itself as a

 response to the limitations that hinder one of the

 main alternatives to CMOS, namely optical wave

 analog computation. This type of processing

 makes use of analog signals and the typical

 phenomena that characterize waves instead of

 digitization, but is conditioned by an important

 disadvantage: miniaturization is difficult and is

 limited by the optical wavelength», says

 Riccardo Bertacco, professor in physics at the

 Politecnico di Milano and coordinator of

 SWING.

By replacing optical waves with spin waves,

 Bertacco and Marie Skłodowska-Curie fellow

 Edoardo Albisetti hope to get around this

 problem. As Albisetti points out, «spin waves

 have a great advantage: their wavelength is much

 lower than that of electromagnetic waves, with

 values in the order of tenths of a nanometer in

 the GHz range. magnitude less than the values

 referred to the optical wavelengths, from which

 it follows the possibility of realizing devices

 integrated and compatible with CMOS on a

 submicron scale for wave-based computation».

Spin waves through domain walls

In essence, spin waves are disturbances that

 propagate in the alignment of spins within

 magnetic materials. In addition to the intrinsic

 advantage that characterizes them, they behave

 in a similar way to electromagnetic waves. Their

 magnetic excitations can be used for

 computational and memory applications and

 Albisetti has already successfully demonstrated a

 platform that uses them for analog computation.

«We have achieved three basic results», explains

 Albisetti. “First, we were able to employ a new

 technique called thermally assisted magnetic

 scanning probe lithography (tam-SPL) to make

 magnonic blocks capable of controlling spin

 waves. Next, we demonstrated the use of

 magnetic domain walls (the lines separating two

 parts of a magnetic film with different uniform

 magnetization) as circuits for the propagation

 and interaction of spin waves. Finally, we tested

 structured domain walls of different shapes

 (linear, convex, concave, etc.) in order to create

 our platform for analog computation».

Albisetti invented the tam-SPL technique,

 fundamental to the other project results, during

 the 6-month period he spent working on his

 doctoral thesis with Elisa Riedo at the Georgia

 Tech research center in the United States. As

 Bertacco points out: «The Marie Skłodowska-

Curie project was conceived with the idea of

 exploiting this collaboration further. After Riedo

 joined the CUNY Advanced Science Research

 Center, we wanted to use the new state-of-the-art

 instrumentation available to further develop the

 tam-SPL technique. Furthermore, we set out to

 apply it to the proof-of-concept of novel spin-

wave-based devices for wave-based

 computation.” Ultimately, the project concept of

 using domain walls as channels for spin-wave

 propagation o as local sources for wavefront

 generation could be employed to construct

 circuits consisting of such domain walls.

 Ultimately, they could serve as the equivalent of

 optical waveguides in integrated optics

 (resonators, interferometers, etc.), as well as

 analog signal processing devices (filters,

 spectrum analyzers, etc.) based on the wavefront

 interference of spin waves.

«Our results pave the way for a range of

 possibilities that we have only just begun to

 explore», says Albisetti, who concludes: «We

 have focused with particular attention on two

 interesting challenges, namely to study the

 interaction of spin waves with more complex

 spins and extend the applicability of the tam-SPL

 technique to different magnetic systems with

 applications in the field of spintronics».

Albisetti was recently awarded a European

 Research Council (ERC) Starting Grant for the

 B3YOND project, which will focus on

 demonstrating a new nanofabrication concept

 based on the tam-SPL technique.

Da:

https://ec.europa.eu/research-and-innovation/it/projects/success-stories/all/le-onde-di-spin-la-computazione-di-prossima-generazione