Magnonic enheder kan erstatte elektronik uden meget støj

Elektroniske enheder såsom transistorer bliver mindre og vil snart ramme grænserne for konventionel ydeevne baseret på elektriske strømme.

Enheder baseret på magnoniske strømme - kvasipartikler forbundet med magnetiseringsbølger, eller spin bølger, i visse magnetiske materialer - ville forvandle industrien, selvom videnskabsmænd skal forstå bedre, hvordan man kontrollerer dem.

Ingeniører ved University of California, Riverside, har taget et vigtigt skridt mod udviklingen af ​​praktiske magnoniske anordninger ved at studere, for første gang, støjniveauet forbundet med udbredelse af magnonstrøm.

Støj, eller fluktuationer i en strøms flow, er en vigtig metrik til at måle, om en elektronisk enhed er egnet til praktiske anvendelser. Fordi støj forstyrrer en enheds ydeevne, en bedre forståelse af, hvor støjende magnoner er, vil hjælpe ingeniører med at udvikle bedre enheder.

Al eksisterende elektronik er baseret på ledere af elektricitet såsom metaller eller halvledere. Når elektroner bevæger sig gennem disse materialer, de oplever spredning, hvilket resulterer i elektrisk modstand, opvarmning, og energiudledning. Når strøm passerer gennem en ledning eller halvleder, den uundgåelige opvarmning forårsager energitab. Mindre enheder og chips med en højere tæthed af transistorer fremskynder tabet af energi på grund af opvarmning. Enheder, der bruger konventionelle elektroniske strømme, er næsten på det punkt, hvor de ikke kan gøres mindre.

En ny klasse af materialer har magnetiske egenskaber, der stammer fra spin, en form for medfødt momentum. Individuelle "bidder, "eller enheder af spin-bølger, kaldes magnoner. Magnoner er ikke sande partikler som elektroner, men de opfører sig som partikler og kan behandles som sådan.

En bølge af energi kaldet en spin-bølge kan bevæge sig gennem et elektrisk isolerende materiale for at transmittere energi uden at flytte nogen elektroner - ligesom folk, der laver bølgen på et stadion. Det betyder, at magnoner kan forplante sig uden at generere meget varme og miste meget energi.

Et nyt felt af elektronik kaldet magnonics forsøger at skabe enheder til informationsbehandling og lagring, såvel som sensoriske applikationer, ved at bruge magnonstrømme i stedet for elektroner. Mens elektronstøj har været kendt i lang tid, ingen har undersøgt magnon-støj - indtil nu.

Et hold ledet af Alexander Balandin, en fremtrædende professor i elektro- og computerteknik ved UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, skabte en chip, der genererede en magnonisk strøm, eller spin bølge, mellem sende- og modtageantenner.

Eksperimenter afslørede, at magnoner ikke er så støjende ved lave effektniveauer. Men ved høje effektniveauer, støjen blev usædvanlig, domineret af brede udsving kalder forskere tilfældig telegrafsignalstøj, der ville forstyrre en enheds ydeevne. Støjen var mærkbart forskellig fra den, der blev lavet af elektroner og identificerer begrænsninger for, hvordan man bygger magnoniske enheder.

"Magnoniske enheder skal helst fungere med lavt strømniveau, " sagde Balandin. "Man kan sige, at støjen fra magnoner er diskret ved lav effekt, men bliver høj og diskret ved en vis effekttærskel. Dette udgør den diskrete charme ved de magnoniske enheder. Vores resultater fortæller os også mulige strategier til at holde støjniveauet lavt."

Ville opdagelsen af ​​usædvanlige støjegenskaber hæmme udviklingen af ​​magnoniske enheder?

"Ingen, målet for informationsbehandling er at gå til lav effekt, " sagde Balandin.

For nu, Balandins forskergruppe udfører eksperimenter med generiske komponenter for at forstå det grundlæggende. Deres første eksperimentelle enheder er relativt store. De planlægger at undersøge de fysiske mekanismer af magnonstøj og teste en væsentligt nedskaleret version af sådanne enheder.

Papiret, "Den diskrete støj fra magnoner, " er en featurehistorie i Anvendt fysik bogstaver , og vil også blive vist på forsiden af ​​et kommende nummer. Ud over Balandin, forfatterne er Sergey Rumyantsev, Mykhaylo Balinskyy, Fariborz Kargar, og Alexander Khitun.