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TECH INSIGHT
MAGNONICA
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- ELETTRONICA OGGI 461 - APRILE 2017
Dalla spintronica alla magnonica
Lucio Pellizzari
Le ricerche sulla propagazione delle onde di spin
hanno permesso alla spintronica di far nascere la
magnonica e al PoliFAB del Politecnico di Milano ne
sono state evidenziate le possibilità applicative
L’
elettronica di spin, o spintronica, studia come
controllare e manipolare lo spin degli elettroni
per realizzare elementi circuitali di nuovo tipo e queste
ricerche hanno permesso di scoprire che gli spin pos-
sono organizzarsi in onde che si propagano all’interno
dei materiali. In quest’ambito nasce la magnonica che
studia come controllare le onde di spin e comandarne
il comportamento.
È noto che lo spin dell’elettrone ha le dimensioni di
un momento angolare e perciò viene associato al
moto rotatorio in senso
destrorso o sinistrorso
della particella rispet-
to al proprio asse. Tutti
i materiali hanno una
magnetizzazione
che
viene definita come la
differenza fra gli elettro-
ni spin-su (1/2) e quelli
spin-giù (-1/2) ma è solo
nei materiali ferroma-
gnetici (FM) che si può
creare una popolazione
di momenti magnetici
allineati ordinatamente,
con un valore di ma-
gnetizzazione partico-
larmente intenso e mo-
dificabile. Al contrario, negli antiferromagnetici (AF)
gli spin sono allineati disordinatamente e azzerano la
magnetizzazione al punto da essere insensibili ai cam-
pi magnetici esterni.
Uno degli obiettivi di ricerca della spintronica consiste
nell’addomesticare un fenomeno tipico dei materiali
FM tale per cui si osservano manifestarsi a una certa
temperatura due distinte correnti di elettroni, una per
ciascuno dei due spin, entrambe in grado di soprav-
vivere stabilmente senza mescolarsi e senza pericolo
che qualche elettrone possa casualmente cambiare il
proprio spin. Si tratta, in pratica, di due “entità circuita-
li” spintroniche che possono essere comandate dall’e-
sterno in modo tale da disporre delle due informazioni
binarie “1” e “0” a patto di ingegnerizzare adeguatamen-
te il processo. In effetti, con le correnti di spin sono già
stati realizzati transistor Spin-FET che dimostrano di
essere notevolmente più piccoli e veloci rispetto agli
attuali circuiti elettronici dove l’informazione è lega-
ta alla carica elettrica dei portatori. È ancora presto
per intravedere gli sbocchi applicativi di queste speri-
mentazioni ma nell’ultimo anno l’ottimismo è cresciuto
proprio nei riguardi delle possibilità applicative della
magnonica, che vie-
ne considerata l’area
emergente più promet-
tente della spintronica.
La magnonica cerca, in
pratica, di governare
il comportamento del-
le due correnti di spin
considerandole delle
onde di spin, o magno-
ni, che sono descritti
come quasiparticelle
bosoniche del tutto
analoghe ai fotoni del-
le onde elettromagne-
tiche. I magnoni con-
sentono di creare dei
pattern magnetici nei
materiali ossia dei volumi localizzati dentro ai quali gli
elettroni riescono a vivere stabilmente con il medesi-
mo spin e perciò costituire degli elementi di “informa-
zione magnonica” manipolabili dall’esterno. Un impor-
tante vantaggio degli spin degli elettroni rispetto alla
loro carica elettrica è che non vengono alterati dagli
urti e dalle vibrazioni reticolari che tipicamente ne ral-
lentano il movimento dissipando energia termica. Ciò
significa che si può parlare di resistenza elettrica solo
quando si considerano i circuiti che utilizzano la cari-
ca elettrica ma se si fanno circuiti che sfruttano le due
correnti spintroniche la resistenza scompare perché
gli spin non subiscono effetti reticolari.
Fig. 1 – Al passaggio di una punta calda con risoluzione dell’ordine della decina
di nanometri si produce una variazione della magnetizzazione nei due strati
sottostanti con un’informazione “magnonica” che rimane imprigionata nel
substrato FM