Magnon Momentum Microscopy: una nuova finestra sulle onde di spin su scala nanometrica

Un team internazionale di ricercatori, tra cui Steffen Wittrock del Helmholtz Zentrum Berlin, Daniel Schick del Max Born Institute di Berlino e Salvatore Perna del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, ha sviluppato una nuova tecnica di microscopia ad alta risoluzione per lo studio delle onde di spin nei dispositivi magnonici. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Physics.

La nuova metodologia, denominata Magnon Momentum Microscopy (MMM), offre uno strumento innovativo per osservare e analizzare le interazioni tra onde di spin su scala nanometrica, aprendo nuove prospettive per lo sviluppo di future tecnologie dell’informazione ad alte prestazioni.

«Uno degli aspetti più interessanti di questo risultato è che la nuova tecnica non si limita a migliorare la capacità di osservazione dei fenomeni magnetici su nanoscala, ma apre la possibilità di individuare dinamiche che richiedono ulteriori sviluppi teorici per essere comprese pienamente. È uno di quei casi in cui l'innovazione sperimentale apre nuove linee di ricerca», afferma Salvatore Perna.

La ricerca nel settore dell’elaborazione e della trasmissione dell’informazione è orientata verso dispositivi sempre più veloci, efficienti dal punto di vista energetico e compatibili con le attuali tecnologie a semiconduttore. In questo contesto, la magnonica rappresenta una delle frontiere più promettenti. Questa disciplina sfrutta le onde di spin – oscillazioni collettive della magnetizzazione di un materiale, note anche come magnoni – come vettori di informazione su scale micrometriche e nanometriche.

Nei materiali magnetici la magnetizzazione può essere messa in oscillazione mediante campi magnetici opportunamente applicati. Quando tale perturbazione viene generata in una regione localizzata del materiale, essa si propaga sotto forma di onde di spin. Grazie alla loro natura ondulatoria, queste onde possono trasportare informazione oppure essere utilizzate per eseguire operazioni di calcolo basate sui fenomeni di interferenza (wave computing).

Uno dei principali vantaggi della magnonica risiede nella possibilità di utilizzare onde con lunghezze d’onda estremamente ridotte, dell’ordine di pochi nanometri, consentendo una forte miniaturizzazione dei dispositivi. Tuttavia, questa prospettiva pone due sfide fondamentali: generare efficientemente onde di spin così corte e sviluppare strumenti capaci di osservarne la dinamica con una risoluzione adeguata.

Per affrontare questo secondo problema, il team di ricerca – che coinvolge il Max Born Institute (MBI) e l’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) in Germania, l’Università degli Studi di Napoli Federico II in Italia e l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera – ha sviluppato la tecnica MMM.

La Magnon Momentum Microscopy sfrutta l’interazione tra raggi X e onde di spin per ottenere una “istantanea” bidimensionale della loro distribuzione non nello spazio fisico ma in quello dei momenti, legato intimamente allo spazio delle lunghezze d’onda. Durante la misura, i raggi X attraversano il dispositivo magnonico e vengono leggermente deviati dalla presenza delle onde di spin. Analizzando questa deviazione è possibile determinare simultaneamente l’intensità, la lunghezza d’onda e la direzione di propagazione delle onde presenti nel materiale, con una risoluzione dell’ordine del nanometro.

I ricercatori hanno utilizzato la nuova tecnica per studiare il comportamento delle onde di spin al variare della potenza del segnale che le genera. Le misure hanno evidenziato l’insorgenza di fenomeni non lineari. In particolare, è stato possibile osservare l’eccitazione di onde di spin con lunghezze d’onda inferiori a 100 nanometri attraverso un meccanismo noto come risonanza parametrica.

Questi risultati dimostrano le potenzialità della Magnon Momentum Microscopy come strumento di indagine per la fisica delle onde di spin su nanoscala. La tecnica apre infatti una nuova finestra di osservazione sulle interazioni non lineari tra magnoni e potrà contribuire allo sviluppo di future tecnologie magnoniche per l’elaborazione e la trasmissione dell’informazione.

Link all’articolo: https://www.nature.com/articles/s41567-026-03318-z