Onde di spin per migliori computer quantistici

Studiate le proprietà ottiche di un materiale in grado di poter trasferire l'informazione con maggiore efficienza

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Un gruppo di fisici del MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) e del Russian Quantum Center, coadiuvati da scienziati della Saratov State University e della Michigan Technological University, mediante l’uso di brevi impulsi laser, ha dimostrato nuovi metodi per controllare le onde di spin in pellicole di granato di ferro/bismuto nanostrutturate. Il risultato, presentato in Nano Letters, potrebbe avere delle applicazioni nel trasferimento dell’informazione a efficienza energetica e nel computing quantistico basato sullo spin.

Lo spin di una particella rappresenta il suo momento angolare, che ha sempre una direzione. Nei materiali magnetizzati, tutti gli spin puntano a una medesima direzione. Una qualsivoglia interruzione locale di questo ordine magnetico, è accompagnata dalla propagazione di onde di spin, i cui quanti sono chiamati magnoni.

A differenza della corrente elettrica, la propagazione di onde di spin non comporta un trasferimento di materia. Di conseguenza, se per trasmettere l’informazione si utilizzano i magnoni piuttosto che gli elettroni, si avranno certamente minori perdite per effetto termico. I dati potrebbero essere codificati nella fase o nell’ampiezza di un’onda di spin, e processati attraverso l’interferenza dell’onda o effetti non lineari.

Sono già disponibili, in termini di semplici dispositivi, dei semplici componenti logici basati sui magnoni. Comunque, una delle più importanti sfide legate all’implementazione di questa nuova tecnologia è la necessità di controllare alcuni parametri dell’onda di spin. Per molti aspetti, l’eccitazione ottica dei magnoni è più conveniente rispetto ad altre modalità, così come spiegato dai ricercatori nella pubblicazione.

I ricercatori hanno quindi eccitato delle onde di spin in un granato di ferro/bismuto nanostrutturato. Anche senza la tipica struttura nanometrica, il materiale possiede delle proprietà optomagnetiche uniche. È caratterizzato da una bassa attenuazione magnetica, permettendo così ai magnoni di propagarsi su lunghe distanze anche a temperatura ambiente. Inoltre, è dotato di un’elevata trasparenza ottica nel range del vicino infrarosso e possiede un’elevata costante di Verdet (una grandezza empirica, tipica di ogni materiale, legata alla rotazione del piano di polarizzazione della luce in funzione del campo magnetico).

La struttura della pellicola utilizzata per lo studio è alquanto elaborata: uno strato inferiore liscio, che sulla parte superiore presenta un reticolo unidimensionale, con un periodo di 450 nanometri. Questa particolare geometria agevola l’eccitazione dei magnoni con una ben determinata distribuzione di spin, impossibile da ottenere per una pellicola non modificata.

Per eccitare la precessione di magnetizzazione, sono stati utilizzati impulsi laser polarizzati linearmente, le cui caratteristiche hanno influenzato la dinamica degli spin e il tipo di onde di spin generate. È importante rilevare che l’eccitazione dell’onda si è avuta per effetto optomagnetico e non termale.

Per tracciare lo stato del campione ed estrarre le caratteristiche dell’onda di spin, i ricercatori si sono basati su degli impulsi di test, della durata di 250 femtosecondi (10^-15 secondi). Un impulso di test può essere diretto su qualunque punto del campione con un ritardo programmato rispetto all’impulso di pompa. Questo fornisce le informazioni sulla dinamica di magnetizzazione in un dato punto, che può dunque essere processata per determinare la frequenza di spettro, il tipo e altri parametri, dell’onda di spin.

A differenza degli altri metodi precedentemente utilizzati, il nuovo approccio agevola il controllo dell’onda generata, giocando sulla variazione di diversi parametri dell’impulso laser che la eccita. Oltre a ciò, la geometria delle pellicole nanostrutturate, permette di localizzare il centro dell’eccitazione con una precisione dell’ordine di 10 nanometri. L’angolo di incidenza, la lunghezza d’onda e la polarizzazione degli impulsi laser permettono l’eccitazione di risonanza delle modalità di guida d’onda del campione, che sono determinate dalle nanostrutture, in modo che possano essere controllate le tipologie di onde di spin eccitate. È possibile che ognuna delle caratteristiche associate all’eccitazione ottica possa essere modificata, in modo da produrre l’effetto desiderato.

Alexander Chernov, uno dei componenti del gruppo di ricerca, e responsabile del Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab presso il MIPT, afferma che la nanofotonica sta aprendo delle nuove opportunità nel settore del magnetismo ultraveloce. La creazione di applicazioni pratiche dipenderà essenzialmente dalla capacità di andare oltre la scala submicrometrica, con la conseguente crescita della velocità di operazione e della capacità di multitasking. Con questo esperimento, si è riusciti a localizzare la luce in un punto di poche decine di nanometri, e a eccitare efficacemente delle onde di spin di vari ordini. Questo tipo di onde di spin permette ai dispositivi di operare alle alte frequenze, al di sopra del range dei terahertz (10^12 hertz).

In definitiva, l’articolo pubblicato su Nano Letters dimostra sperimentalmente una migliore capacità di controllare la dinamica di spin in condizioni di eccitazione ottica, per effetto di brevi impulsi laser, in una pellicola di granato di bismuto/ferro, opportunamente progettata su dimensioni nanometriche. Lo studio apre delle nuove prospettive per il processamento magnetico dei dati e per il computing quantistico basato sulle oscillazioni di spin coerenti.

Fonte: scitechdaily.com