Una rivoluzione nei chip: i “magnoni” (onde magnetiche) possono rivoluazionale l’informatica

I nostri computer, smartphone e data center hanno un problema fondamentale: scaldano e consumano energia. Tutta colpa degli elettroni, le particelle che trasportano le informazioni, i quali, muovendosi attraverso i circuiti, incontrano resistenza e dissipano energia sotto forma di calore. Da tempo la fisica studia un’alternativa: i “magnoni“.

Ora, uno studio teorico degli ingegneri dell’Università del Delaware (UD), pubblicato sulla prestigiosa rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ha scoperto un anello mancante che potrebbe trasformare radicalmente l’informatica.

Cosa sono i “magnoni” e perché sono meglio?

Il magnetismo deriva da una proprietà degli elettroni nota come “spin” (che possiamo immaginare come una trottola che punta in “su” o in “giù”). Nei materiali magnetici, questi spin sono interconnessi.

“Immaginate che ci sia una molla che collega tutti questi spin”, spiega l’autore senior Matthew Doty, professore all’UD. “Se devio uno spin, è come tirare la molla. Lo spin successivo devia, poi quello dopo… è un’onda”. 

Questa onda, un’increspatura magnetica, è il magnone. Potrebbe essere visto, appunto, come una perturbazione dello spin di tutti gli elettroni, ma come tutte le perturbazioni, trasporta informazioni.

Il vantaggio cruciale è che i magnoni trasportano informazioni (attraverso i cambiamenti nell’orientamento dello spin) senza muovere fisicamente le cariche elettriche. Meno movimento di cariche significa molta meno resistenza e, di conseguenza, molta meno energia persa in calore.

L’ostacolo (superato) degli antiferromagneti

I ricercatori si sono concentrati su una classe specifica di materiali, quelli antiferromagnetici (AFM), dove gli spin degli elettroni si alternano (su, giù, su, giù). Questi materiali sono estremamente promettenti perché i magnoni al loro interno viaggiano a frequenze di terahertz — circa mille volte più veloci rispetto ai materiali ferromagnetici standard usati oggi.

C’era, però, un “piccolo” problema: siccome gli spin opposti si annullano a vicenda, rilevare e controllare questi magnoni super-veloci è sempre stato un incubo tecnico. Fino ad ora.

Magnone si muove sotto forma di onda

La scoperta: onde magnetiche che generano tensione

Utilizzando simulazioni informatiche avanzate, i ricercatori del centro CHARM dell’università hanno scoperto qualcosa di inaspettato: i magnoni in movimento, in questi materiali, possono produrre segnali elettrici rilevabili.

“I risultati prevedono che possiamo rilevare i magnoni misurando la polarizzazione elettrica che creano”, ha detto Doty.

In sostanza, il team ha sviluppato un quadro matematico che dimostra come il “momento angolare orbitale” (il movimento circolare) del magnone, interagendo con gli atomi del materiale, produca una polarizzazione elettrica. In termini più semplici: un’onda magnetica in movimento genera una tensione misurabile.

Questa scoperta è un doppio colpo:

1. Rilevamento: Fornisce un metodo pratico per “leggere” i segnali trasportati dai magnoni usando un semplice voltaggio.

2. Controllo: Suggerisce la possibilità inversa, ovvero usare campi elettrici esterni (come quelli della luce) per controllare il movimento dei magnoni.

Se i magnoni trasmettono segnali rilevabili, informazioni, allora può essere utilizzato all’interno dei chip, ma senza i problemi degli elettroni.  Un  vantaggio ulteriore sarebbe che, non essendo trasmessi direttamente degli elettroni, ma solo informazioni, non ci sarebbe nessun problema nel costruire dei circuiti complessi in cui i percorsi si sovrappongono, perché i punti d’incrocio non sarebbero un problema:

La differenza fra un circuito in cui vi sono elettroni, a sinistra, e uno in cui circolano magnoni

Implicazioni: computer più efficienti e ultra-veloci

Il team del Delaware sta ora passando alla fase sperimentale per verificare le loro previsioni teoriche. Se confermate, le implicazioni per il futuro dell’informatica sarebbero notevoli, aprendo la strada a chip ibridi che uniscono magnetismo ed elettricità.

I vantaggi pratici sarebbero:

• Chip ibridi: Integrazione diretta di sistemi magnetici ed elettrici.

• Velocità estreme: Trasmissione dati a frequenze di terahertz, (molto più veloci degli attuali gigahertz).

• Efficienza energetica: Una drastica riduzione del calore e del consumo energetico, non dovendo più spostare fisicamente gli elettroni per elaborare i dati.

In un mondo affamato di potenza di calcolo, dove i consumi energetici dei data center sono un problema economico e ambientale crescente, questa non è una semplice curiosità accademica, ma una potenziale via d’uscita tecnologica.

Domande e risposte

• Cosa è esattamente un magnone e perché è importante? Un magnone non è una particella fisica, ma una “quasi-particella” che descrive un’onda collettiva di spin (l’orientamento magnetico) degli elettroni in un materiale. È come un’onda che si propaga in un campo di grano. La sua importanza per l’informatica è che può trasportare informazioni senza muovere cariche elettriche. Gli attuali chip muovono elettroni, generando calore per attrito (resistenza). I magnoni, non muovendo cariche, consentirebbero un’elaborazione dei dati con una perdita di energia quasi nulla, riducendo drasticamente calore e consumi.

• Perché questa scoperta è rilevante solo ora? L’esistenza dei magnoni è nota da tempo, ma il loro utilizzo pratico è complesso. In particolare, nei materiali antiferromagnetici (i più veloci), gli spin opposti si annullano a vicenda, rendendo il segnale magnetico netto quasi nullo e quindi difficilissimo da rilevare. La scoperta dell’Università del Delaware è fondamentale perché dimostra che questi magnoni “nascosti”, muovendosi, generano un segnale elettrico secondario (una polarizzazione). Questo segnale elettrico è molto più facile da misurare e potenzialmente da manipolare rispetto al debole segnale magnetico.

• Cosa significa “velocità di terahertz” per l’utente finale? Significa un aumento di velocità potenziale di circa mille volte rispetto ai processori attuali. Le CPU di oggi operano nella gamma dei gigahertz (miliardi di cicli al secondo). I terahertz (THz) rappresentano migliaia di miliardi di cicli al secondo. Se questa tecnologia fosse implementata, si tradurrebbe in un’elaborazione dei dati quasi istantanea e in una capacità di calcolo enormemente superiore, il tutto consumando molta meno energia. Potrebbe rivoluzionare tutto, dall’intelligenza artificiale ai dispositivi mobili, eliminando i colli di bottiglia legati al calore e alla velocità di trasmissione.

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