Onde di spin: nuova frontiera per il calcolo quantistico

Uno studio condotto da ricercatori delle università di Lancaster e Radboud ha aperto la strada a un metodo per generare e controllare le onde di spin su scala nanometrica, offrendo un nuovo approccio efficiente dal punto di vista energetico al calcolo quantistico.

onde di spin

Onde di spin su scala nanometrica

I ricercatori della Lancaster University e della Radboud University Nijmegen hanno prodotto con successo onde di spin che si propagano su scala nanometrica, svelando un nuovo metodo per modulare e amplificare queste onde.

La loro scoperta, pubblicata su Nature, potrebbe aprire la strada allo sviluppo di tecnologie di informazione quantistica prive di dissipazione. Poiché le onde di spin non coinvolgono correnti elettriche, questi chip saranno esenti dalle perdite di energia associate.

La popolarità in rapida crescita dell’intelligenza artificiale si accompagna a un crescente desiderio di dispositivi informatici veloci ed efficienti dal punto di vista energetico e richiede nuovi modi per archiviare ed elaborare le informazioni. Le correnti elettriche negli apparecchi convenzionali soffrono di perdite di energia e conseguente riscaldamento dell’ambiente.

Un’alternativa alle correnti elettriche “con perdita” è quella di immagazzinare ed elaborare informazioni in onde, utilizzando gli spin degli elettroni invece delle loro cariche. Questi giri possono essere visti come le unità elementari dei magneti.

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Onde di spin ultraveloci: la luce ultravioletta apre la strada al calcolo quantistico

L’autore principale, il dottor Rostislav Mikhaylovskiy dell’Università di Lancaster, ha dichiarato: “La nostra scoperta sarà essenziale per il futuro calcolo basato sulle onde di spin. Le onde di spin sono un interessante vettore di informazioni poiché non coinvolgono correnti elettriche e quindi non soffrono di perdite resistive”.

È noto da tempo che gli spin, ovvero i momenti magnetici intrinseci delle particelle elementari, possono essere spostati dal loro orientamento di equilibrio. In seguito a questa perturbazione, essi iniziano a roteare attorno alla loro posizione di equilibrio, descrivendo un movimento chiamato precessione.

Nei magneti, gli spin vicini sono accoppiati tra loro in modo estremamente forte, generando una magnetizzazione netta del materiale. Questo forte accoppiamento permette alla precessione di spin di propagarsi all’interno del materiale magnetico, dando origine a un’onda.

Le onde di spin sono fenomeni collettivi che coinvolgono la rotazione sincronizzata di un gran numero degli stessi. Possono propagarsi nel materiale magnetico a velocità diverse, trasportando energia e informazioni.

La ricerca sulle onde di spin ha suscitato un grande interesse negli ultimi anni per il loro potenziale utilizzo in diverse applicazioni tecnologiche, come la memoria magnetica ad alta velocità, l’elettronica a spin e la computazione quantistica.

I ricercatori hanno sfruttato il fatto che le frequenze più alte possibili delle rotazioni di spin si trovano nei materiali in cui gli essi adiacenti sono inclinati l’uno rispetto all’altro. Per eccitare dinamiche di rotazione così veloci, hanno utilizzato un impulso di luce molto breve, la cui durata è inferiore al periodo dell’onda di rotazione, cioè meno di un trilionesimo di secondo.

Il trucco per generare l’onda di spin ultraveloce su scala nanometrica sta nell’energia fotonica dell’impulso luminoso. Il materiale in studio ha mostrato un assorbimento estremamente forte alle energie dei fotoni ultravioletti (UV), che ha localizzato l’eccitazione in una regione molto sottile di sole poche decine di nanometri dall’interfaccia che consente onde di spin con frequenze terahertz (un trilione di Hertz) e facendo emergere lunghezze d’onda submicrometriche.

La dinamica di tali onde di spin è intrinsecamente non lineare, il che significa che le onde con frequenze e lunghezze d’onda diverse possono essere convertite l’una nell’altra.

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Onde di spin: controllo preciso con doppi impulsi laser

Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a concretizzare questa possibilità nella pratica. Hanno raggiunto questo traguardo eccitando il sistema non con un singolo impulso laser, bensì con due impulsi laser intensi, separati da un breve intervallo di tempo.

Il primo autore Ruben Leenders, ex studente di dottorato presso la Lancaster University, ha dichiarato: “In un tipico esperimento di eccitazione a impulso singolo, ci aspetteremmo semplicemente che le due onde di spin interferiscano tra loro come fanno qualsiasi altre onde. Tuttavia, variando il ritardo temporale tra i due impulsi abbiamo scoperto che questa sovrapposizione delle due onde non regge”.

Il team ha spiegato le osservazioni considerando l’accoppiamento dell’onda di spin già eccitata con il secondo impulso luminoso.

L’accoppiamento di due impulsi laser permette di esercitare un controllo preciso sulle proprietà delle onde di spin. Il primo impulso induce la precessione, mentre il secondo, ritardato di un opportuno intervallo di tempo, imprime una “spinta” supplementare alle rotazioni già in atto.

La forza e la direzione di questa spinta dipendono dallo stato di deflessione degli spin al momento dell’arrivo del secondo impulso. In questo modo, è possibile modulare l’ampiezza e la fase delle onde di spin semplicemente regolando il ritardo temporale tra le due eccitazioni laser.

Questo meccanismo innovativo apre nuove frontiere per la manipolazione e il controllo delle onde di spin, con potenziali applicazioni in svariati campi, tra cui la memoria magnetica ad alta velocità, l’elettronica a spin e la computazione quantistica.

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