Ciò può rallentare i computer più veloci del mondo

NTNU ha molti ricercatori di talento. Alcuni di loro stanno lavorando a nuovi modi per trasmettere le informazioni in modo più efficiente. Spesso lo fanno perché lo trovano entusiasmante, ma un effetto collaterale positivo è che il loro lavoro può contribuire, ad esempio, a computer più veloci che consumano meno energia.

Una di queste è Therese Frostad.

– Lavoro con la spintronica, un campo di ricerca che utilizza lo spin degli elettroni per sviluppare nuove tecnologie, afferma il ricercatore Frostad del Dipartimento di Fisica della NTNU.

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Gli spin trasferiscono informazioni anziché elettroni

Se hai seguito scienze a scuola, probabilmente saprai che un elettrone è una particella carica in un atomo. L’elettricità è in realtà semplicemente costituita da elettroni che si muovono lungo la materia.

Nei normali computer e altri dispositivi elettronici, le informazioni vengono trasmesse proprio con l’aiuto dell’elettricità, cioè del flusso di elettroni.

Ma la generazione di calore è un problema perché i computer stanno diventando più veloci e perché i componenti sono sempre più piccoli e vicini tra loro, dice Frostad.

Quindi la tecnologia convenzionale si sta avvicinando al suo limite. Pertanto, i ricercatori cercano nuovi modi per trasmettere informazioni. Una soluzione è sfruttare lo spin degli elettroni, come fa Frostad. Allora qual è questa rotazione in questo momento?

Gli elettroni hanno spin

Oltre alla carica, gli elettroni hanno un’altra proprietà chiamata spin. Questa, tra le altre cose, è la base del magnetismo.

Fisici come Frostad possono manipolare questo spin con l’aiuto di campi magnetici in modo che lo spin cambi e che questo cambiamento si muova come un’onda attraverso gli atomi nel materiale.

Nella spintronica possiamo usare le onde di spin come portatori di informazioni, dice Frostad.

Queste onde di spin producono molto meno calore delle correnti di elettroni. Quindi questa potrebbe essere una soluzione alla generazione di calore nell’elettronica convenzionale.

– Potrebbe anche aiutarci a sviluppare tecnologie a basso consumo energetico, afferma Frostad.

Qualunque. Condensati di Bose-Einstein?

Durante il suo dottorato, Frostad ha lavorato con i condensati di Bose-Einstein, che sono più entusiasmanti di quanto si pensi una volta che si sa cosa sono.

Nei condensati di Bose-Einstein accadono le cose più strane, almeno se le vedi con gli occhi di un non fisico.

Ad esempio, alcuni anni fa un gruppo di ricercatori è riuscito a ridurre la velocità della luce a poco più di 60 chilometri orari nei condensati di Bose-Einstein. Quindi i più audaci potranno navigare dalla luce fino al fondo della collina. È difficile farlo in circostanze normali, anche se ti alleni duramente. Ma cosa sono questi condensatori?

Molte persone sanno che una sostanza può essere solida, liquida o gassosa. Inoltre c’è il plasma, un tipo di gas carico. Quindi i condensati di Bose-Einstein esistono, ma nessuno ne era sicuro fino a qualche anno fa.

La teoria alla base di questi condensati è stata ideata dal fisico indiano Satyendra Nath Bose, che reclutò la superstar Albert Einstein nel team per pubblicare il primo articolo di ricerca su di essi. Quest’anno sono in realtà 100 anni da quando i due hanno iniziato la loro collaborazione, ma nessuno ha trovato tali condensati fino al 1995. I condensati atomici si formano solo a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto.

Ai fisici spesso piacciono i condensati di Bose-Einstein perché sono particolarmente adatti per lo studio dei campi magnetici, della gravità e delle proprietà fondamentali della materia.

Puoi anche studiare le onde di spin nei condensati di Bose-Einstein, come ha fatto Frostad.

E quello pazzo?

“Ci piace definire “pazzesca” un’onda di rotazione, afferma Frostad.

Il cantante è anche quello che viene chiamato “bosone”, che è uno dei due gruppi di particelle di cui parlano i fisici nella meccanica quantistica. E ora siamo al livello nano e ai campi della meccanica quantistica.

– Quando i magnoni si riuniscono nel loro stato energetico più basso, possono formare essi stessi un condensato di Bose-Einstein, dice Frostad. – Questo è entusiasmante e recentemente abbiamo iniziato a studiare se possiamo utilizzare i condensatori Magnon nella nuova tecnologia.

Forse i ricercatori possono contribuire allo sviluppo di computer quantistici in cui i condensati di magnoni fanno parte della tecnologia.

Condensatori Magnon ingegnerizzati

Ma se vogliamo usare i condensatori Magnon per qualcosa di utile, dobbiamo prima imparare a controllare le proprietà dei condensatori, dice Frostad. – Questo era lo scopo della ricerca per la mia tesi di dottorato.

Mentre lavorava, Frostad ha effettuato calcoli teorici su come vengono creati i magnetoni e su come i magnetoni condensati interagiscono e si influenzano a vicenda.

“Abbiamo studiato come controllare le proprietà dei condensatori mediante campi magnetici esterni e come modificare le proprietà dei materiali e dei sistemi in cui abbiamo realizzato i condensatori”, afferma Frostad.

Può essere utile in diversi ambiti

Il supervisore di Frostad era il professor Arne Bratas presso il Dipartimento di Fisica della NTNU.

La ricerca amplia la possibilità di controllo dei condensati di Bose-Einstein. Forse questo potrebbe essere utilizzato nella futura tecnologia di rilevamento quantistico, afferma il professor Pratas.

Riceve sostegno dal partner di Frostad, il ricercatore Alireza Qayyumzadeh del Dipartimento di Fisica.

Uno dei vantaggi dei condensatori Magnon è che possono esistere a temperatura ambiente. In futuro, i condensati di Magnon Bose-Einstein potrebbero essere utilizzati come rilevatori sensibili nella scienza di base, afferma il ricercatore Qayumzadeh.

La scienza di base ci farà comprendere meglio i meccanismi di base alla base di vari fenomeni naturali. Nessuno sapeva nemmeno a cosa servissero i laser quando furono inventati, ricorda Qayyumzadeh. Non sempre sai cosa sarà utile.

“Forse possiamo immaginare che questo potrebbe essere usato per rilevare la materia oscura degli assioni”, dice Qayyumzadeh.

No, non ho idea nemmeno di cosa significhi quest’ultimo. Ma si tratta di fisica di base, cioè di come funziona il mondo che ci circonda. Il che è fantastico comunque.

Riferimenti: Frostad, T., Skarsvag, H.L., Qayumzadeh, A., e Bratas, A. (2022). Pompaggio parametrico assistito dal trasporto rotazionale di magnoni nel granato di ferro e ittrio. Revisione fisica B, 106(2), 024423. Christophersen, A.-L. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.024423 https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.024423

Frostad, T., Biro, P., Sirga, A. A., Hillebrands, B., Bratas, A., e Qayyumzadeh, A. (2023). Condensazione magnonica assistita anisotropica in film sottili magnetici. annunci. doi:10.1103/PhysRevResearch.6.L012011 https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024PhRvR…6a2011F/abstract