Hacia una informática más eficiente, con ondas magnéticas.

El diseño del circuito ofrece un camino hacia los dispositivos “spintrónicos” que usan poca electricidad y prácticamente no generan calor.

Investigadores del MIT han ideado un nuevo diseño de circuito que permite un control preciso de la computación con ondas magnéticas, sin necesidad de electricidad.

El avance da un paso hacia dispositivos prácticos magnéticos, que tienen el potencial de computar de manera mucho más eficiente que la electrónica.

Las computadoras clásicas dependen de cantidades masivas de electricidad para la informática 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 giro” u onda de espín (spin wave), una propiedad cuántica de los electrones, en materiales magnéticos con una estructura reticular.

Este enfoque implica modular las propiedades de la onda de giro para producir una salida medible que pueda correlacionarse con el cálculo.

Hasta ahora, la modulación de las ondas de giro ha requerido corrientes eléctricas inyectadas utilizando componentes voluminosos que pueden causar ruido de señal y negar efectivamente cualquier ganancia de rendimiento inherente.

Los investigadores del MIT desarrollaron una arquitectura de circuito que usa solo una pared de dominio de ancho nanométrico en nanopelículas en capas de material magnético para modular una onda de giro que pasa, sin ningún componente adicional o corriente eléctrica.

A su vez, 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 1s y 0s usados ​​en la computación clásica.

En el futuro, los pares de ondas de espín podrían alimentarse al circuito a través de canales duales, modulados para diferentes propiedades y combinados para generar alguna interferencia cuántica medible, similar a cómo se usa la interferencia de onda de fotones para la computación cuántica.

Los investigadores plantean la hipótesis de que tales dispositivos espintrónicos basados ​​en interferencias, como las computadoras cuánticas, podrían ejecutar tareas altamente complejas con las que luchan las computadoras convencionales.

“La gente está comenzando a buscar computación más allá del silicio. La computación en onda es una alternativa prometedora”, dice Luqiao Liu, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) e investigador principal del Grupo de Material y Dispositivos Espintrónicos en el Laboratorio de Investigación de Electrónica.

“Al usar este muro de dominio estrecho, podemos modular la onda de giro y crear estos dos estados separados, sin ningún costo real de energía. Solo confiamos en ondas de giro y material magnético intrínseco“.

Las ondas de giro son ondas de energía con pequeñas longitudes de onda.

Los trozos de la onda de giro, que son esencialmente el giro colectivo de muchos electrones, se llaman magnones.

Si bien los magnones no son partículas verdaderas, como los electrones individuales, se pueden medir de manera similar para aplicaciones informáticas.

En su trabajo, los investigadores utilizaron una “pared de dominio magnético” personalizada, una barrera de tamaño nanométrico entre dos estructuras magnéticas vecinas.

Presentaron un patrón de nanopelículas 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 giro.

Luego colocaron la pared en el medio de un material magnético con una estructura reticular especial e incorporaron el sistema a un circuito.

En un lado del circuito, los investigadores excitaron ondas de giro constantes en el material.

A medida que la onda 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 de la pared, giran hacia el sur.

Esto provoca un cambio dramático 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 cambió 180 grados.

La magnitud de la onda, medida desde el pico más alto al más bajo, también había disminuido en una cantidad significativa.

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 la pared de dominio, el circuito estaría magnetizado uniformemente; con la pared de dominio, el circuito tiene una onda dividida y modulada.

Al controlar 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 espín”, que es cuando los electrones que giran sacuden esencialmente un material magnético para voltear 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.

Esto realmente envía la pared hacia la fuente de onda aumentada.

Al hacerlo, la pared se atasca debajo de la antena, lo que la hace incapaz de modular las ondas y garantiza una magnetización uniforme en este estado.

Usando un microscopio magnético especial, demostraron que este método causa un cambio de tamaño de micrómetro en la pared, que es suficiente para colocarlo en cualquier lugar a lo largo del bloque de material.

En particular, el mecanismo del par de transferencia de espín magnón se propuso, pero no se demostró, hace unos años.

“Había buenas razones para pensar que esto sucedería“, dice Liu. “Pero nuestros experimentos demuestran lo que realmente ocurrirá en estas condiciones“.

Todo el circuito es como una tubería 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 puede imaginarse hacer que la presión del agua sea tan alta que rompa la válvula y la empuje aguas abajo“, dice Liu.

“Si aplicamos una onda de giro lo suficientemente fuerte, podemos mover la posición del muro de dominio, excepto que se mueve ligeramente hacia arriba, no hacia abajo“.

Dichas innovaciones podrían permitir la computación práctica basada en ondas para tareas específicas, como la técnica de procesamiento de señales, llamada “transformación rápida de Fourier”.

A continuación, los investigadores esperan construir un circuito de ondas que funcione y que pueda ejecutar cálculos básicos.

Entre otras cosas, tienen que optimizar los materiales, reducir el ruido potencial de la señal y estudiar más a fondo qué tan rápido pueden cambiar de estado moviéndose alrededor de la pared del dominio.

Fuente: MIT

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