Kortbølgelængde spin-bølger genereret direkte for første gang

Med miniaturiseringens hurtige fremskridt, databehandling ved hjælp af elektriske strømme står over for hårde udfordringer, hvoraf nogle er uoverkommelige. Magnetiske spinbølger er et lovende alternativ til overførsel af information i endnu mere kompakte chips. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), som en del af et internationalt forskningsprojekt, nu er det lykkedes at generere spinbølger med ekstremt korte bølgelængder i nanometerområdet - en nøglefunktion for deres fremtidige anvendelse.

Mindre, hurtigere, mere energieffektiv - dette er mantraet for den videre udvikling af computere og mobiltelefoner, der i øjeblikket skrider frem i et betagende tempo. Imidlertid, Dr. Sebastian Wintz fra HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research ved kun alt for godt, hvor svært det allerede er at opnå en yderligere grad af miniaturisering. "Et stort problem med nuværende teknologier, " han sagde, "er den varme, der genereres, når data transmitteres ved hjælp af elektriske strømme. Vi har brug for et nyt koncept." Fysikeren arbejder sammen med internationale kolleger om såkaldte spin-bølger (magnoner), som skal erstatte bevægelige ladninger i fremtiden som informationsbærere. Det er nu lykkedes forskerne for første gang at generere spinbølger med så korte bølgelængder, at de har potentiale til fremtidige applikationer inden for databehandling.

Spinbølger erstatter elektrisk strøm

Spindet betegner en egenskab, som giver partiklerne et magnetisk moment. De fungerer så som små magneter, der løber parallelt med hinanden i ferromagnetiske materialer. Hvis et af spins derefter skifter retning, dette har en afsmittende effekt på sine naboer. En kædereaktion giver anledning til en spin-bølge.

Behandlingen af ​​information er i øjeblikket baseret på elektriske strømme. De ladede partikler hastighed gennem et netværk af tråde, der presses tættere og tættere sammen, drevet af ønsket om stadig mere kompakte chips. På vej, elektronerne kolliderer med atomer, får dem til at vugge frem og tilbage i krystalgitteret og derved generere varme. Hvis ledningerne er for tæt på hinanden, denne varme kan ikke længere bortledes, og systemet bryder sammen. "Den store fordel ved spin-bølger er, at elektronerne i sig selv ikke bevæger sig, " forklarede Wintz, "Derfor produceres dyrebar lidt varme af strømmen af ​​data."

Magnetisk hvirvel som nano-antenne

Den traditionelle tilgang, der anvendes til at generere spin-bølger, er at bruge små metalantenner, som genererer magnoner, når de drives af en højfrekvent vekselstrøm. Den mindste bølgelængde, der kan genereres på denne måde, vil være omtrent på størrelse med den antenne, der bruges. Det er netop her det store problem ligger i, at små bølgelængder på nanometerskalaen er nødvendige for at tilfredsstille kravet om stadig større miniaturisering. Det er ikke muligt pt. imidlertid, at lave sådanne små højfrekvente antenner.

Forskerholdet fra Tyskland, Det er nu lykkedes Schweiz og USA at generere spin-bølger med ekstrem kort bølgelængde på en helt ny måde. Som en naturligt dannet antenne, de bruger midten af ​​en magnetisk hvirvel, som produceres i en lille, ultratynd ferromagnetisk disk. På grund af diskens begrænsede størrelse, spindene stiller ikke alle parallelt som normalt, men ligger langs koncentriske cirkler i skivens plan. Det her, på tur, tvinger spinnene fra et lille område i midten af ​​disken, der måler kun et par nanometer i diameter, at rette op og, dermed, at pege væk fra diskens overflade. Hvis dette centrale område udsættes for et skiftevis magnetfelt, produceres der en spinbølge.

Der skal flere tricks til, imidlertid, for at forkorte bølgelængden efter behov. Følgelig, en anden lille disk placeres på den første, adskilt af en tynd, ikke-magnetisk lag. Når dette skillelag er fremstillet med en bestemt tykkelse, så interagerer de to skiver på en sådan måde, at de fremkalder en antiferromagnetisk kobling mellem skiverne - spinsene forsøger at pege i modsatte retninger - hvilket reducerer bølgelængden af ​​de udsendte spin-bølger mange gange. "Kun på denne måde når vi frem til et resultat, der er relevant for informationsteknologi, " tilføjede Wintz.

Attraktive egenskaber til applikationer

Forskerne demonstrerede ikke kun de korte bølgelængder af spinbølgerne genereret på denne måde, men var også i stand til at afsløre andre bølgeegenskaber, som kunne være meget nyttige til fremtidige applikationer. With the help of high-speed movies taken with an X-ray microscope belonging to the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart (which is installed at the Helmholtz-Zentrum Berlin) they showed that the wavelength can be adjusted precisely by the selection of the excitation frequency. Similar measurements were also carried out at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. Hvad er mere, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.