Forskere genererer ultrakorte spin-bølger i et forbløffende enkelt materiale

På grund af dets potentiale til at gøre computere hurtigere og smartphones mere effektive, spintronics betragtes som et lovende koncept for fremtidens elektronik. I et samarbejde, der omfatter Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) og Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), et team af forskere har nu med succes genereret såkaldte spin-bølger meget lettere og mere effektivt end tidligere blev anset for muligt. Forskerne præsenterer deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Moderne computerchips er baseret på transport af elektriske ladninger. Hver behandlingshændelse får en elektronstrøm til at strømme i en elektronisk komponent. Disse elektroner støder på modstand, som genererer uønsket varme. Jo mindre strukturer på en chip, jo vanskeligere er det at sprede varmen. Denne gebyrbaserede arkitektur er også delvist årsagen til, at processorernes urfrekvenser ikke har oplevet nogen signifikante stigninger i år. Den stabile udviklingskurve for chipydelse og hastighed er nu ved at flade ud. "Eksisterende koncepter når deres grænser, "forklarer Dr. Sebastian Wintz fra Institute of Ion Beam Physics and Materials Research på HZDR." Derfor arbejder vi på en ny strategi, spin -bølgerne. "

Denne fremgangsmåde indebærer ikke længere transportafgifter, men overfører kun elektronernes iboende vinkelmoment (spin) i et magnetisk materiale. Elektronerne selv forbliver stationære, mens kun deres spins ændres. Da naboelektronernes spins fornemmer hinanden, en ændring i et spin kan rejse til sine naboer. Resultatet er et magnetisk signal, der løber gennem materialet som en bølge - en spin-bølge. Fordelen ved spin-drevne komponenter er, at de ville generere meget lidt varme, hvilket betyder, at de muligvis bruger betydeligt mindre energi - og dette er af stor interesse for mobile enheder som f.eks. smartphones. Det kan også være muligt at miniaturisere komponenter yderligere til visse applikationer, fordi spinbølger har langt kortere bølgelængder end sammenlignelige elektromagnetiske signaler, for eksempel inden for mobilkommunikation. Det betyder, at vi kunne montere flere kredsløb på en chip, end vi kan i dag.

Omrøring af en spinbølge med en magnetvirvel

Før vi kan gøre alt dette, vi har først brug for meget mere grundlæggende forskning. For eksempel, vi har brug for at vide, hvordan vi effektivt genererer spin -bølger. Eksperter har forsøgt at finde ud af dette i et stykke tid nu, fastgørelse af mikrometerstore metalstrimler på tynde magnetiske lag. En vekselstrøm, der løber gennem denne strimmel, skaber et magnetfelt, der er begrænset til et meget lille rum. Dette felt vil så excitere en spin-bølge i det magnetiske lag. Men denne metode har én ulempe:Det er vanskeligt at gøre bølgelængden af ​​de genererede spin-bølger mindre end bredden af ​​metalstrimlen - hvilket er ugunstigt for udviklingen af ​​højt integrerede komponenter med strukturer på nanometerstørrelse.

Alligevel er der et alternativ:Et magnetisk materiale formet til cirkulære diske fremkalder dannelse af magnetiske hvirvler, hvis kerner ikke måler mere end cirka ti nanometer. Et magnetfelt kan derefter få denne hvirvelkerne til at svinge, som udløser en spinbølge i laget. "For noget tid siden, vi havde brug for relativt komplekse flerlagsmaterialer for at få dette til at ske, "Wintz rapporterer." Nu er det lykkedes os at sende spinbølger fra hvirvelkerner i et meget simpelt materiale. "De bruger et letproduceret lag af nikkeljernlegering på cirka 100 nanometer i tykkelse.

Uventet korte bølgelængder

Det bemærkelsesværdige er bølgelængden af ​​de genererede spinbølger - kun 80 nanometer. "Ekspertfællesskabet var overrasket over, at vi gjorde dette i et så simpelt materiale, " siger Dr. Georg Dieterle, der udforskede fænomenet i sin ph.d. speciale ved MPI-IS. "Vi forventede heller ikke at kunne generere så korte bølger ved frekvenser i det lavere gigahertz -område." Eksperter mener, at årsagen til de korte bølgelængder ligger i den måde, de rejser på. Tæt på tværsnitscentret af nikkeljernlaget, spinbølgen danner en slags "knude", inden i hvilken den magnetiske retning kun svinger op og ned frem for langs dens normalt cirkulære bane.

For at gøre disse fænomener synlige, holdet brugte et særligt røntgenmikroskop ved elektronlagringsringen BESSY II i Helmholtz Zentrum Berlin. "Dette er det eneste sted på jorden, der tilbyder den nødvendige plads- og tidsopløsning i denne kombination, "understreger prof. Gisela Schütz, direktør hos MPI-IS. "Uden dette mikroskop, vi ville ikke have været i stand til at observere disse effekter." Nu håber eksperterne, at deres resultater vil hjælpe med at fremme udviklingen af ​​spintronics. "Vores hvirvelkerner kunne, for eksempel, tjene som lokal, godt kontrollerbar kilde til at udforske de underliggende fænomener og udvikle nye koncepter med spin-wave-baserede komponenter, "Siger Dieterle." De spinbølger, vi observerede, kunne være af fremtidig relevans for stærkt integrerede kredsløb. "