- I ricercatori dimostrano il controllo laser a temperatura ambiente dei magnoni in materiali magnetici sottili
- Impulsi di luce visibile regolano le frequenze magnetiche senza ricorrere a condizioni criogeniche
- Magneti su scala nanometrica promettono storage più rapido e computing non basato sul silicio
I ricercatori hanno dimostrato un nuovo metodo per regolare il comportamento magnetico in materiali estremamente sottili, utilizzando impulsi laser visibili a temperatura ambiente.
Lo studio si concentra sul controllo dei magnoni, ovvero eccitazioni collettive di spin che svolgono un ruolo chiave nei dispositivi magnetici.
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, dimostra che la frequenza dei magnoni in magneti spessi pochi nanometri può essere aumentata o diminuita su richiesta.2 Il materiale utilizzato ha uno spessore di soli 20 nm, il che lo rende compatibile con architetture elettroniche ad alta densità.
Innumerevoli possibilità
I magnoni sono già fondamentali in tecnologie come le unità a disco rigido e nei concetti emergenti di calcolo basato sullo spin. La capacità di controllarne con precisione la frequenza è stata a lungo considerata un requisito essenziale per la realizzazione di dispositivi pratici.
In esperimenti precedenti, effetti simili venivano ottenuti solo utilizzando laser nel medio infrarosso, temperature criogeniche o materiali ingombranti: vincoli che limitavano qualsiasi percorso realistico verso l'uso commerciale.
In questo nuovo lavoro, i ricercatori hanno invece utilizzato brevi impulsi laser di luce visibile combinati con un modesto campo magnetico esterno inferiore a 200 mT. Ciò ha permesso di spostare le frequenze dei magnoni fino al 40% rispetto al loro valore originale.
Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente utilizzando un film di granato di ittrio e ferro sostituito con bismuto, cresciuto su un substrato di granato di gadolinio, scandio e gallio (GSGG). Il basso smorzamento del film e la sua forte risposta magneto-ottica si sono rivelati essenziali.
Regolando l'intensità del laser e la forza del campo magnetico, il team è stato in grado di stabilire con affidabilità se la frequenza dei magnoni dovesse aumentare o diminuire. Questo livello di controllo deriva dall'interazione tra riscaldamento ottico, anisotropia magnetica e campo applicato.
Gli impulsi laser fungono da meccanismo di sintonizzazione ultraveloce piuttosto che da semplice fonte di calore. Modificano temporaneamente la rigidità magnetica del materiale, il che altera direttamente la velocità di oscillazione dei magnoni.
Poiché l'effetto opera su scale temporali di nanosecondi, si apre la strada a elementi logici magnetici riconfigurabili quasi istantaneamente. Tali dispositivi potrebbero evitare alcuni dei limiti di calore e scalabilità che affliggono l'elettronica al silicio.
La combinazione di funzionamento a temperatura ambiente, controllo tramite luce visibile e spessore su scala nanometrica indica che questo approccio potrebbe integrarsi nei futuri sistemi di archiviazione, elaborazione del segnale e calcolo basato sullo spin.
In termini semplici, la ricerca potrebbe contribuire a rendere la tecnologia quotidiana più veloce ed efficiente, con uno degli utilizzi più ovvi nell'archiviazione dei dati. I dischi rigidi e i grandi server cloud si affidano a materiali magnetici: poterli controllare con maggiore precisione attraverso la luce consentirebbe di scrivere e spostare i dati molto più velocemente di quanto avvenga oggi.
Ciò potrebbe anche portare alla creazione di nuovi tipi di chip per computer che utilizzano il magnetismo invece della corrente elettrica per elaborare le informazioni. Questi produrrebbero meno calore e consumerebbero meno energia, garantendo laptop più silenziosi, una maggiore durata della batteria e – il "sacro graal" per gli hyperscaler – data center più economici da gestire.
Un altro possibile utilizzo riguarda l'hardware capace di cambiare funzione istantaneamente. Invece di un chip progettato per un singolo compito, la luce potrebbe essere usata per variarne il comportamento in un attimo, permettendo a un unico componente di gestire lavori differenti.
Poiché l'effetto funziona a temperatura ambiente e in strati più sottili di un capello umano, non è limitato agli esperimenti di laboratorio: ciò significa che potrebbe essere integrato in futuro negli smartphone, nei computer e nei sistemi di archiviazione portatili che le persone utilizzano già ogni giorno.
