Los investigadores del MIT han ideado un diseño de circuito novedoso que permite un control preciso de la computación con ondas magnéticas, sin necesidad de electricidad. El avance da un paso hacia dispositivos prácticos de base magnética, que tienen el potencial de calcular mucho más eficientemente que la electrónica.

Las computadoras clásicas dependen de cantidades masivas de electricidad para la computación y el almacenamiento de datos, y generan mucho calor desperdiciado. En busca de alternativas más eficientes, los investigadores han comenzado a diseñar dispositivos "espintrónicos" de base magnética, que utilizan relativamente poca electricidad y prácticamente no generan calor.

Los dispositivos espintrónicos aprovechan la "onda de espín", una propiedad cuántica de los electrones, en materiales magnéticos con estructura reticular. Este enfoque implica modular las propiedades de la onda de giro para producir algún resultado medible que pueda correlacionarse con el cálculo. Hasta ahora, La modulación de ondas de giro ha requerido corrientes eléctricas inyectadas que utilizan componentes voluminosos que pueden causar ruido de señal y anular de manera efectiva cualquier ganancia de rendimiento inherente.

Los investigadores del MIT desarrollaron una arquitectura de circuito que utiliza solo una pared de dominio de un nanómetro de ancho en nanofilms en capas de material magnético para modular una onda de giro que pasa. sin ningún componente adicional o corriente eléctrica. Sucesivamente, la onda de giro se puede ajustar para controlar la ubicación de la pared, según sea necesario. Esto proporciona un control preciso de dos estados de onda de giro cambiantes, que corresponden a los 1 y 0 utilizados en la computación clásica.

En el futuro, pares de ondas de giro podrían introducirse en el circuito a través de canales duales, modulado para diferentes propiedades, y combinados para generar alguna interferencia cuántica mensurable, similar a cómo se usa la interferencia de ondas de fotones para la computación cuántica. Los investigadores plantean la hipótesis de que tales dispositivos espintrónicos basados ​​en interferencias, como computadoras cuánticas, podría ejecutar tareas muy complejas con las que luchan las computadoras convencionales.

"La gente está empezando a buscar la informática más allá del silicio. La informática de ondas es una alternativa prometedora, "dice Luqiao Liu, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) e investigador principal del Grupo de Dispositivos y Materiales Espintrónicos en el Laboratorio de Investigación de Electrónica. "Al utilizar este muro de dominio estrecho, podemos modular la onda de giro y crear estos dos estados separados, sin ningún coste energético real. Solo confiamos en ondas de giro y material magnético intrínseco ".

Uniéndose a Liu en el diario Ciencias papel son Jiahao Han, Pengxiang Zhang, y Justin T. Hou, tres estudiantes de posgrado en el Grupo de Dispositivos y Materiales Espintrónicos; y el postdoctorado de EECS Saima A. Siddiqui.

Voltear magnones

Las ondas giratorias son ondas de energía con pequeñas longitudes de onda. Trozos de la onda giratoria que son esencialmente el espín colectivo de muchos electrones, se llaman magnones. Si bien los magnones no son partículas verdaderas, como electrones individuales, se pueden medir de manera similar para aplicaciones informáticas.

En su trabajo, los investigadores utilizaron un "muro de dominio magnético personalizado, "una barrera del tamaño de un nanómetro entre dos estructuras magnéticas vecinas. Colocaron un patrón de nanofilms de cobalto / níquel, cada uno de unos pocos átomos de espesor, con ciertas propiedades magnéticas deseables que pueden manejar un gran volumen de ondas de espín. Luego colocaron la pared en el en medio de un material magnético con una estructura de celosía especial, e incorporó el sistema en un circuito.

A un lado del circuito, los investigadores excitaron ondas de giro constantes en el material. Mientras la ola atraviesa la pared, sus magnones giran inmediatamente en la dirección opuesta:los magnones en la primera región giran hacia el norte, mientras que los de la segunda región, más allá del muro, giran hacia el sur. Esto provoca un cambio drástico en la fase (ángulo) de la onda y una ligera disminución en la magnitud (potencia).

En experimentos, los investigadores colocaron una antena separada en el lado opuesto del circuito, que detecta y transmite una señal de salida. Los resultados indicaron que, en su estado de salida, la fase de la onda de entrada se invirtió 180 grados. La magnitud de la onda, medida desde el pico más alto al más bajo, también había disminuido en una cantidad significativa.

Añadiendo algo de torque

Luego, los investigadores descubrieron una interacción mutua entre la onda de giro y la pared de dominio que les permitió alternar eficientemente entre dos estados. Sin el muro de dominio, el circuito estaría uniformemente magnetizado; con el muro de dominio, el circuito tiene una división, onda modulada.

Controlando la onda de giro, descubrieron que podían controlar la posición del muro de dominio. Esto se basa en un fenómeno llamado, "par de transferencia de giro, "que es cuando los electrones giratorios esencialmente sacuden un material magnético para cambiar su orientación magnética.

En el trabajo de los investigadores, aumentaron el poder de las ondas de giro inyectadas para inducir un cierto giro de los magnones. En realidad, esto atrae la pared hacia la fuente de onda impulsada. Al hacerlo, la pared queda atascada debajo de la antena, lo que la hace efectivamente incapaz de modular las ondas y asegura una magnetización uniforme en este estado.

Usando un microscopio magnético especial, demostraron que este método provoca un cambio de tamaño micrométrico en la pared, que es suficiente para colocarlo en cualquier lugar a lo largo del bloque de material. Notablemente, Se propuso el mecanismo de torque de transferencia magnon, pero no demostrado, Hace unos pocos años. "Había buenas razones para pensar que esto sucedería, "Dice Liu." Pero nuestros experimentos prueban lo que realmente ocurrirá en estas condiciones ".

Todo el circuito es como una pipa de agua, Dice Liu. La válvula (pared de dominio) controla cómo fluye el agua (onda de giro) a través de la tubería (material). "Pero también puedes imaginar que la presión del agua sea tan alta, rompe la válvula y la empuja corriente abajo, "Dice Liu." Si aplicamos una onda de giro lo suficientemente fuerte, podemos mover la posición de la pared del dominio, excepto que se mueve ligeramente corriente arriba, no aguas abajo ".

Tales innovaciones podrían permitir la computación práctica basada en ondas para tareas específicas, como la técnica de procesamiento de señales, llamada "transformada rápida de Fourier". Próximo, los investigadores esperan construir un circuito de ondas que funcione y que pueda ejecutar cálculos básicos. Entre otras cosas, tienen que optimizar materiales, reducir el ruido potencial de la señal, y estudiar más a fondo qué tan rápido pueden cambiar entre estados moviéndose alrededor de la pared del dominio. "Eso es lo siguiente en nuestra lista de tareas pendientes, "Dice Liu.