La computadora diseña dispositivos magnónicos

Los dispositivos magnónicos pueden revolucionar la industria electrónica. Qi Wang, Andrii Chumak de la Universidad de Viena y Philipp Pirro de TU Kaiserslautern aceleraron enormemente el diseño de dispositivos magnónicos más versátiles utilizando un algoritmo computacional basado en retroalimentación. Su “diseño inverso” de dispositivos magnónicos se acaba de publicar en Comunicaciones de la naturaleza.

El campo de la magnónica ofrece un nuevo tipo de procesamiento de información de baja potencia en el que magnones, cuantos de onda de espín, transmiten y procesar los datos en lugar de electrones. El objetivo final de este campo es crear circuitos magnónicos que sean más pequeños y más eficientes energéticamente que los circuitos electrónicos actuales.

Hasta hace poco, el desarrollo de un magnon funcional equipo puede llevar años de prueba y error. Científicos de la Universidad de Viena y TU Kaiserslautern han desarrollado un nuevo método computacional para diseñar nuevos dispositivos en un tiempo mucho más corto. Además, el rendimiento agregado por este innovador método de diseño inverso ayuda a superar el problema tradicional con tales dispositivos: solo eran aptos para una función. Ahora, gracias al nuevo concepto propuesto, en principio es fácil modificar el dispositivo básico para que cumpla cualquier función.

Qi Wang, el primer autor del estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza, sugirió adoptar el método fotónico en el campo de la magnónica. Tres principios básicos ayudan a explicar este proceso como se muestra en la imagen. Primero, los investigadores deciden las funcionalidades del dispositivo que quieren diseñar, como el Circulator Y, uno de los componentes más comunes para separar direcciones de señales en la ingeniería de sistemas. Este dispositivo dirige ondas de rotación de un puerto a otro puerto de acuerdo con las condiciones de circulación: la onda del puerto 1 debe ir al puerto 2, la onda del puerto 2 al puerto 3 y del puerto 3 al puerto Puerto 1. En segundo lugar, esta “tarea” se traduce al lenguaje informático. Finalmente, la computadora genera estructuras aleatorias y las optimiza paso a paso para lograr la funcionalidad requerida. Este proceso de prueba y error es muy rápido y proporciona la mejor solución a través de un algoritmo inteligente. El resultado final es el diseño de un dispositivo de trabajo con funcionalidades previstas por los científicos. Como dijo Wang de la Universidad de Viena: “[…] abre la puerta a circuitos integrados magnónicos a gran escala de cualquier funcionalidad y alto nivel de complejidad ”.

El enfoque propuesto supera el obstáculo del diseño a través de la experimentación y, en cambio, destaca la importancia de la imaginación de los investigadores que establecen parámetros y objetivos para dispositivos diseñados por computadora. Un ejemplo de este proceso creativo proviene de Philipp Pirro, un científico de TU Kaiserslautern: “Con el diseño inverso, se podrían desarrollar neuronas que son similares a las del cerebro, pero que en cambio están compuestas de elementos magnónicos”.

El entusiasmo por este enfoque proviene de su capacidad para crear diferentes funciones. En su artículo, los científicos describen cómo crearon un conjunto de dispositivos diferentes. Así, además de dicho circulador Y, realizaron un “multiplexor” que separa una onda de cierta frecuencia en un canal y una onda de diferente frecuencia en otro canal. Este tipo de dispositivos se utilizan en nuestra vida diaria para Internet de alta velocidad. El último dispositivo demostrado es un “interruptor no lineal” que separa ondas de espín de diferentes energías: envía una onda de baja potencia a una salida y una onda de alta potencia a la otra. Pero Andrii Chumak, jefe del grupo de investigación de la Universidad de Viena, dice: “Nuestra investigación abre un nuevo campo de magnónica de diseño inverso con grandes perspectivas. Este enfoque hasta ahora solo se ha demostrado numéricamente. El próximo gran desafío es implementarlo en experimentos “.

Reflexionando sobre el potencial de sus descubrimientos, Qi Wang bromea: “Si tuviera un enfoque para el diseño inverso al comienzo de mis estudios, habría completado mi doctorado mucho más rápido”.