Kvanteteori til at manipulere nanomagneter

Forskere ved Institut for Fysik, Jyväskylä Universitet, Finland, har skabt en teori, der forudsiger egenskaberne af nanomagneter manipuleret med elektriske strømme. Denne teori er nyttig for fremtidige kvanteteknologier. Forskningen blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Hvordan laver man hurtigere magnetiske hukommelser?

I computerharddiske lagres informationen i små nanomagneters magnetiske tilstande som nuller og ettaller. "Nul" er således kodet som syd-nord magnetisering, og "én" som "nord-syd"-magnetiseringen. At skrive information kræver derfor at dreje magnetiseringen, hvorimod at læse det betyder at finde ud af magnetiseringstilstanden. Hastigheden på harddiske afhænger således af, hvor hurtigt disse processer kan realiseres. Aflæsningsprocessen er baseret på elektriske strømme og kan derfor gøres hurtig. På den anden side, skrivning skal normalt foretages via magnetiske felter, hvilket er meget langsommere. I over 20 år har fysikere kendt en proces, spin overførselsmoment, hvormed også skrift kunne realiseres ved hjælp af elektrisk strøm. Problemet, der hindrer dets anvendelse i kommercielle produkter, er den opvarmning, som denne proces forårsager. På grund af denne opvarmning, processen er mere udsat for fejl. At skifte magnetiseringstilstand er en stokastisk proces, hvilket betyder, at det endelige resultat ikke er sikkert. Problemet bliver sværere, efterhånden som temperaturen stiger.

Tilfældig præcession af magnetisering

Forskerne formåede at udvikle en teori til at vurdere sandsynligheden for ændringerne i magnetiseringen i situationer, hvor den manipuleres af elektrisk strøm. Den samme teori giver sandsynligheden for den gensidige proces, spin pumpning, hvor magnetiseringens bevægelse pumper strøm ind i kredsløbet. Denne sidstnævnte proces bruges til radiofrekvensgenerering, og det er også stokastisk, hvilket betyder, at den pumpede strøm har tilfældige udsving, støj. I særdeleshed, forskerne formåede at finde ud af, hvordan denne støj opfører sig i kvantegrænsen for magnetiseringspræcession, hvor præcessionsfrekvensen er stor. Tidligere arbejde havde koncentreret sig om lave frekvenser. Derfor, dette arbejde vil være særligt nyttigt for magnetisme-baserede kvanteteknologier.

Resultatet er meget generelt og enkelt, men at finde det krævede brug af komplicerede teoriværktøjer. "At finde resultatet krævede en masse tænkning og afledninger, men jeg er meget glad for resultatet", fortæller post-doc forsker Pauli Virtanen, nu i Scuola Normale Superiore, Pisa, der tog sig af den detaljerede beregning. Professor Tero Heikkilä, hvem har leveret ideen til arbejdet, fortsætter:"Denne form for beregning kræver en masse dyb intuition. Nu kan vores resultat generaliseres til mere komplekse magnetiske strukturer."