Ridning på den (kvantemagnetiske) bølge - næste generations elektronik et spring tættere på virkeligheden

I 1991, University of Utah kemiker Joel Miller udviklede den første magnet med kulstofbaserede, eller økologisk, komponenter, der var stabile ved stuetemperatur. Det var et stort fremskridt inden for magnetik, og siden har han undersøgt applikationerne.

Femogtyve år senere, fysikerne Christoph Boehme og Valy Vardeny demonstrerede en metode til at omdanne kvantebølger til elektrisk strøm. De også, vidste de havde opdaget noget vigtigt, men kendte ikke dens anvendelse.

Nu er disse teknologier kommet sammen og kan være det første skridt mod en ny generation af hurtigere, mere effektiv og mere fleksibel elektronik.

Arbejde sammen, Miller, Boehme, Vardeny og deres kolleger har vist, at en organisk baseret magnet kan bære bølger af kvantemekanisk magnetisering, kaldet magnoner, og konvertere disse bølger til elektriske signaler. Det er et gennembrud for området magnonics (elektroniske systemer, der bruger magnoner i stedet for elektroner), fordi magnoner tidligere var blevet sendt gennem uorganiske materialer, der er sværere at håndtere.

"Gå til disse organiske materialer, vi har mulighed for at skubbe magnon ind i et område, der er mere kontrollerbart end uorganiske materialer, "Siger Miller. Deres resultater offentliggøres i dag i Naturmaterialer.

Hvordan magnonics virker

Inden du fortsætter, lad os tale om, hvad en magnon er, og hvordan den kan bruges i elektronik. Nuværende elektronik bruger elektroner til at transportere information langs ledninger. Magnoner kan også føre information gennem materialer, men i stedet for at være sammensat af elektroner, magnoner er bølger sammensat af en kvanteegenskab kaldet spin.

Forestil dig et fodboldstadion, pakket fuld af entusiastiske fans, der holder armene op for at heppe på deres hold. Lad os sige, at den retning, som deres arme peger i, er deres spin-orientering. Hvis hver blæser holder armene lige op i luften samtidigt, så er alles spin -orientering den samme, og de har lavet, i det væsentlige, en magnet.

Nu starter mængden "The Wave, "undtagen i stedet for at stå og sidde, en gang af fans vipper deres arme til højre. Den næste gang opfanger denne ændring i spin og sender den videre til næste række. Inden længe, denne magnet har en spin-baseret bølge, der strømmer rundt på stadion.

Kvanteversionen af ​​den spin-baserede bølge er en magnon.

"Nu har du en måde at udsende information i et materiale, "siger fysikprofessor og medforfatter af papiret Boehme." Du kan tænke på magnonik som elektronik. Du har kredsløb, og når du formår at bygge digital logik ud af dette, du kan også bygge computere. "

Godt, ikke endnu. Selvom magnoner har været kendt for videnskaben i årtier, først for nylig er deres potentiale for at bygge elektronik blevet realiseret.

I øjeblikket, de fleste magnonikforskere bruger yttrium jern granat (YIG) som deres bølgebæremateriale. Det er dyrt og svært at producere, især som en tynd film eller tråd. Boehme siger, at han engang overvejede at inkorporere YIG i et af sine instrumenter og måtte opgive, fordi materialet viste sig at være så problematisk at håndtere den pågældende applikation.

Samling af holdet

Boehme og Vardeny, fremragende professor i fysik, studere også området for alternativer til elektronik kaldet spintronics, hvoraf magnonics er et underfelt. I 2016 viste de, hvordan man ligefrem kunne observere "inverse spin Hall -effekten, "en måde at konvertere spinbølger til elektrisk strøm.

De begyndte at arbejde sammen med Miller gennem et National Science Foundation-finansieret Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved University of Utah. I 1991, Miller havde produceret det første magnetiske materiale ved hjælp af organisk, eller kulstofbaseret, komponenter. De tre besluttede at teste Millers organiske magnet for at se, om den kunne bruges som et alternativ til YIG i magnoniske materialer. De testede for elektron -spin -resonans (ESR), et mål for, hvor længe magnoner ville holde i materialet. Jo smallere ESR -linjen er, jo længere levede magnonerne.

Grænsen var faktisk meget smal, Vardeny siger. "Det er en optage smal linje."

Men ved at arbejde med den organisk baserede magnet, kendt som vanadium tetracyanoethylen eller V (TCNE) _x , stadig bød på nogle udfordringer. Materialet er meget iltfølsomt, beslægtet med sjældne jordarters magneter. "Hvis det er frisklavet, det vil sandsynligvis tage ild, "Miller siger." Det vil miste sin magnetisme. "Teamet havde brug for at håndtere de tynde film af V (TCNE) _x under iltfattige forhold.

At gennemføre eksperimenter krævede en koncert med aktivitet, med medlemmer af forskerholdet hver på deres rigtige sted på det rigtige tidspunkt for at fortsætte den næste fase af eksperimentet.

"Tæl antallet af forfattere på papiret, "Boehme siger. (Der er 14.)" Hver gang vi udførte et eksperiment, alle måtte stå der og være klar til tiden til at deltage i denne proces. "Det begyndte med, at en af ​​Millers studerende ankom kl. 4 for at forberede et forløbermateriale og fortsatte i to til tre dage kontinuerligt, mens forskerhold passerede stafetten af ​​materiale og data.

Ikke alle forsøgsløb var vellykkede. Tidligt, teamet erfarede, at kobberstikket, de brugte til at konvertere magnoner til elektricitet ved hjælp af den inverse spin Hall -effekt, reagerede med V (TCNE) _x og dermed ikke ville fungere. Et skift til platinkontakter i det næste løb lykkedes.

Lovende resultater

Til sidst, teamet rapporterede, at de var i stand til at generere stabile magnoner i organiske magneter og konvertere disse spin -bølger til elektriske signaler - en stor trædesten. Stabiliteten af ​​magnonerne i V(TCNE) _x var lige så god som i YIG.

Forskerne håber, at dette fremskridt fører til flere fremskridt mod magnonics, der erstatter elektronik, da magnonsystemer kunne være mindre og hurtigere end nuværende systemer med mindre varmetab og meget mindre krævet energi. Konventionel elektronik fungerer på en skala fra volt, Siger Boehme. Magnoner fungerer på en skala af millivolt, indeholdende omkring 1, 000 gange mindre energi.

Holdet håber derefter at arbejde hen imod magnoniske kredsløb ved hjælp af V (TCNE) _x , og test også andre materialer. "Der er mange organisk baserede magneter, "Siger Boehme." Der er ingen grund til at tro, at hvis du tilfældigt vælger en, det er nødvendigvis det bedste. "

Det er endnu ikke til at se, selvom, hvad løftet om magnonik kan bringe ud over hurtigere, mindre og mere effektiv elektronik. "Vi kan ikke forudse, "Miller siger, "hvad vi ikke kan forudse."