Kredit:CC0 Public Domain
Et internationalt hold fra Delft, Lancaster, Nijmegen, Kiev og Salerno har demonstreret en ny teknik til at generere magnetiske bølger, der forplanter sig gennem materialet med en hastighed, der er meget hurtigere end lydens hastighed.
Disse såkaldte spin-bølger producerer meget mindre varme end konventionelle elektriske strømme, gør dem til lovende kandidater til fremtidige beregningsenheder med betydeligt reduceret strømforbrug.
Fysikere og ingeniører fra hele verden tænker konstant på måder at forbedre ydeevnen af databehandlingsenheder på. Mange af deres ideer drejer sig om at erstatte de elektriske strømme, som bærer signalerne i konventionel elektronik, med bølger. Bølger er sammenhængende excitationer, hvilket betyder, at information kan indkodes i både amplituden og fasen af bølgen. Interferens og diffraktion, naturfænomener for en bølge af enhver art, muliggøre oprettelsen af såkaldte bølgebaserede logiske kredsløb, de små byggesten til fremtidige databehandlingsapplikationer. Da bølger bevæger sig gennem materialer med væsentligt lavere modstand end elektriske strømme, de har potentialet til at reducere strømforbruget drastisk i fremtidig databehandling.
Spin bølger i antiferromagneter
Magnetiske bølger, også kaldet spin-bølger, er en af de mest lovende kandidater til bølgebaserede logiske enheder. Eksperimenter med spin-bølger i almindelige (ferro)magneter har vist, at det er muligt at bygge små logiske enheder uden at bruge elektriske strømme. Ferromagneter er karakteriseret ved en nettomagnetisering. På grund af sidstnævnte, vi kan skrive og læse magnetisk information på ferromagneter ved hjælp af et eksternt magnetfelt.
I de seneste år, der har været et fokusskifte mod brugen af antiferromagneter. I antiferromagnetiske materialer, de mikroskopiske magnetiske momenter af naboatomer - spinsene - er tæt koblet og veksler mellem to modsatte orienteringer, sådan, at der ikke er nogen nettomagnetisering. Eksistensen af denne vekslende rækkefølge fører til væsentligt højere spin-bølge-udbredelseshastigheder og muligheden for operationelle clock-hastigheder af terahertz (billion hertz). Imidlertid, Fravær af magnetisering gør også antiferromagneter magnetisk 'usynlige':det er meget svært at opdage og påvirke den antiferromagnetiske rækkefølge. Praksis har vist, at det er endnu sværere at generere og detektere spinbølger, der kan bevæge sig gennem antiferromagnetiske medier. Som resultat, computerkoncepter baseret på antiferromagnetiske spin-bølger har hidtil eksisteret som et teoretisk tiltalende, men eksperimentelt ukendt felt af spændende muligheder. At finde nye måder at kontrollere de 'magnetiske momenter' i antiferromagneter er derfor af afgørende betydning.
Det er nu lykkedes for det internationale hold af forskere at skabe kohærente magnetiske bølger i nanometerstørrelse i en antiferromagnet, der bevæger sig med supersoniske hastigheder gennem materialet. Deres trick var at bruge ultrakorte lysimpulser til både at skabe og detektere disse spin-bølger. "Selvom vi vidste, at ultrakorte lysimpulser er i stand til at påvirke magnetiske egenskaber af antiferromagnetiske materialer, muligheden for at udsende spin-bølger med kort bølgelængde med lys var stadig ret uventet", siger forsker Jorrit Hortensius fra Delft University of Technology. "Dette skyldes, at lysimpulser mangler det momentum, der er nødvendigt for at skabe spinbølger med kort bølgelængde eller stort momentum."
Et lokalt ultrahurtigt spark
Det har været kendt i et par år, at ultrakorte lysimpulser kan være nøglen til at skabe højfrekvente udbredende spin-bølger. Inden for et picosekund (en milliontedel af en milliontedel af et sekund), sådanne impulser kan ryste det bestilte magnetiske system og starte magnetisk bevægelse i antiferromagneter. Imidlertid, typisk forbliver det exciterede område lokaliseret og understøtter ikke formering. At få excitationen til at rejse hen over materialet krævede en anden skjult ingrediens. "De fleste antiferromagnetiske materialer er dielektriske stoffer, hvilket betyder, at de er gennemsigtige for synligt lys. Vi brugte i stedet ultraviolet lys, der absorberes kraftigt, så vi kun ryster spindene meget tæt på materialets overflade, inden for den såkaldte huddybde", siger forsker Dmytro Afanasiev. "Kombinationen af det ultrahurtige spark med den stærke indespærring ved materialets overflade viste sig at være kombinationen til at inducere udbredelsen af antiferromagnetiske spinbølger."
Spin-bølgerne har bølgelængder på omkring 100 nm, som er meget mindre end lysets bølgelængde. Dette får forskerne til at tro, at de måske har skabt endnu mindre spin-bølger, selvom de ikke kan observere dem med deres nuværende instrumenter. Jorrit Hortensius:"Da spinbølger med meget små bølgelængder er de mest interessante til at skabe meget kompakte beregningselementer, vi er meget nysgerrige efter at vide, hvad grænsen er."
Dette arbejde bringer fremtidige spin-wave-enheder i antiferromagneter tættere på virkeligheden. Rostislav Mikhaylovskiy fra Lancaster University siger:"Traditionelt er de antiferromagnetiske materialer blevet betragtet som praktisk talt ubrugelige, da de ikke har magnetisering. For ganske nylig udløste antiferromagneternes unikke funktionaliteter et virkelig boom i deres studier. Vi mener, at vores resultater vil stimulere yderligere forskning i antiferromagnetiske spin-bølger og i sidste ende bringe en antiferromagnet-baseret logikenhed i praktisk rækkevidde - potentielt åbne døren til en radikal reduktion i den kraft, der er nødvendig for computere."