En motorvej for spin-bølger:Team udvikler proces til styring af innovative informationsmedier

Succeshistorien om informationsbehandling ved at bevæge elektroner er langsomt ved at være slut. Tendensen mod flere og mere kompakte chips udgør en stor udfordring for producenterne, da den stigende miniaturisering skaber til dels uløselige fysiske problemer. Det er grunden til, at magnetiske spinbølger kan være fremtiden:de er hurtigere end elektroniske ladningsbærere og bruger mindre strøm. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og TU Dresden har udviklet en metode til at kontrollere udbredelsen af ​​disse informationsbærere på nanoniveau på en målrettet og enkel måde; indtil nu, dette krævede meget strøm. De har dermed skabt grundlag for nanokredsløb, der bruger spin-bølger.

"Vores nuværende informationsbehandling er baseret på elektroner, " forklarer Dr. Helmut Schultheiß fra HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Disse ladede partikler strømmer gennem ledningerne, skabe elektriske strømme. Men i processen kolliderer de med atomer og mister energi, som slipper ud i krystalgitteret i form af varme. Det betyder, at chips bliver desto varmere, jo tættere er elementerne på dem grupperet sammen. Til sidst fejler de, fordi varmen ikke kan transporteres længere." Det er derfor Schultheiß, leder af en Emmy Noether Junior Research Group, forfølger en anden tilgang:informationstransport via spin-bølger, også kendt som magnoner.

Det magnetiske moment af elektroner

Spin er det udtryk, videnskabsmænd bruger til at beskrive vinkelmomentet af elektroner, der kredser om deres egen akse. Det får de elektriske partikler til at opføre sig som ekstremt små magneter. Dette er grunden til, at de justerer parallelt i ferromagnetiske materialer. "Hvis man leder et spin i en anden retning, dette vil også have indflydelse på de tilstødende spins, " Schultheiß forklarer. "Dette skaber en spin-bølge, der rejser gennem den faste krop. Det kan bruges til at transportere og behandle information ligesom flydende ladningsbærere." elektronerne selv bevæger sig ikke i dette tilfælde. "De kolliderer ikke med noget og genererer derfor næsten ingen varme."

Men for at sejre i kapløbet om fremtidige informationsbehandlingsmetoder, Der er behov for systemer, der giver mulighed for at kontrollere udbredelsen af ​​spin-bølger på nanoniveau. "Indtil nu, tilgange til en løsning var enten baseret på geometrisk foruddefinerede lederbaner eller på permanent brug af eksterne magnetfelter, " siger Schultheiß, forklare den aktuelle forskningstilstand. "I tilfælde af den første løsning, udbredelsesvejen kan ikke ændres; dette er dog nødvendigt for udviklingen af ​​fleksible kredsløb. Den anden metode løser dette problem, dog til prisen for en enorm stigning i strømforbruget."

Kontrolleret udbredelsesvej

Forskerne har med succes udviklet en ny procedure til målrettet styring af spinbølger ved at bruge grundlæggende magnetiske egenskaber:remanens, det er, den resterende magnetisme, som et fast legeme bevarer efter fjernelse af et magnetfelt, og dannelsen af ​​såkaldte domænevægge. "Dette udtryk betegner området i faste legemer, hvor forskelligt justerede magnetiske domæner mødes, " Schultheiß forklarer. HZDR-forskerne skabte en sådan domænevæg i en nikkel-jernlegering nanostruktur i et eksperiment. De udløste derefter en spin-bølge ved hjælp af mikrobølger. Som deres test har vist, spin-bølgerne af en bestemt frekvens satte sig fast i domænevæggen, fordi de forskellige magnetiske domæner fungerer som barrierer. "I en vis forstand, man kan sige, at vi skabte en vej med et autoværn, langs hvilken spin-bølgerne bevæger sig på en kontrolleret måde, " Schultheiß beskriver muntert resultatet.

Imidlertid, Dresden-fysikerne var i stand til at fejre endnu en succes. De manipulerede forløbet af domænevæggen ved hjælp af små ydre magnetfelter på langt under en millitesla, omkring hundrede gange svagere end en kommerciel hesteskomagnet. Derved, de manipulerede ligeledes spin-bølgernes udbredelse. "Dette kunne være grundlaget for et design af rekonfigurerbare nanokredsløb, der bruger magnoner, Schultheiß siger, størrelse op på mulighederne. Ikke desto mindre, forskeren mener, at der sandsynligvis vil gå adskillige år før ansøgning. "Vi er stadig i grundforskningsfasen. vores resultater afslører, at vi er på en god ting."