Magnetiske overbygninger som et lovende materiale til 6G-teknologi

Hvornår bliver 6G en realitet? Kapløbet om at realisere sjette generations (6G) trådløse kommunikationssystemer kræver udvikling af passende magnetiske materialer. Forskere fra Osaka Metropolitan University og deres kolleger har opdaget en hidtil uset kollektiv resonans ved høje frekvenser i en magnetisk overbygning kaldet et chiral spin soliton lattice (CSL), der afslører CSL-hosting chirale helimagneter som et lovende materiale til 6G-teknologi. Undersøgelsen blev offentliggjort i Physical Review Letters .

Fremtidige kommunikationsteknologier kræver en udvidelse af frekvensbåndet fra de nuværende få gigahertz (GHz) til over 100 GHz. Sådanne høje frekvenser er endnu ikke mulige, i betragtning af at eksisterende magnetiske materialer, der anvendes i kommunikationsudstyr, kun kan resonere og absorbere mikrobølger op til ca. 70 GHz med et magnetfelt med praktisk styrke. For at løse dette hul i viden og teknologi, dykkede forskerholdet ledet af professor Yoshihiko Togawa fra Osaka Metropolitan University ned i den spiralformede spin-overbygning CSL.

"CSL har en afstembar struktur i periodicitet, hvilket betyder, at den kontinuerligt kan moduleres ved at ændre den eksterne magnetiske feltstyrke," forklarede professor Togawa. "CSL-fonontilstanden eller den kollektive resonanstilstand - når CSL'ens kinks svinger kollektivt omkring deres ligevægtsposition - tillader frekvensområder bredere end dem for konventionelle ferromagnetiske materialer." Denne CSL-fonontilstand er blevet forstået teoretisk, men er aldrig blevet observeret i eksperimenter.

For at søge CSL-phonon-tilstanden eksperimenterede holdet på CrNb₃ S₆ , en typisk chiral magnetisk krystal, der er vært for CSL. De genererede først CSL i CrNb₃ S₆ og observerede derefter dens resonansadfærd under skiftende eksterne magnetiske feltstyrker. Et specielt designet mikrobølgekredsløb blev brugt til at detektere de magnetiske resonanssignaler.

Forskerne observerede resonans i tre tilstande, nemlig "Kittel-tilstanden", den "asymmetriske tilstand" og "multipel resonanstilstanden." I Kittel-tilstanden, svarende til hvad der observeres i konventionelle ferromagnetiske materialer, stiger resonansfrekvensen kun, hvis magnetfeltstyrken øges, hvilket betyder, at oprettelse af de høje frekvenser, der er nødvendige for 6G, ville kræve et upraktisk stærkt magnetfelt. CSL-fononen blev heller ikke fundet i den asymmetriske tilstand.

I multipel resonanstilstand blev CSL-fononen detekteret; i modsætning til hvad der observeres med magnetiske materialer, der i øjeblikket er i brug, stiger frekvensen spontant, når magnetfeltstyrken falder. Dette er et hidtil uset fænomen, der muligvis vil muliggøre et boost til over 100 GHz med et relativt svagt magnetfelt – dette boost er en tiltrængt mekanisme til at opnå 6G-drift.

"Det lykkedes os at observere denne resonansbevægelse for første gang," bemærkede førsteforfatter Dr. Yusuke Shimamoto. "På grund af dens fremragende strukturelle kontrollerbarhed kan resonansfrekvensen styres over et bredt bånd op til sub-terahertz-båndet. Denne bredbånds- og variable frekvenskarakteristik overstiger 5G og forventes at blive brugt i forskning og udvikling af næste generations kommunikationsteknologier ." + Udforsk yderligere

Ny phonon-baseret og magneto-tunerbar monokromatisk terahertz-kilde