Det lykkes forskere at kontrollere spinbølger med ekstremt kort bølgelængde

I de seneste år, elektronisk databehandling har kun udviklet sig i én retning:Industrien har reduceret sine komponenter til nanometerområdet. Men denne proces når nu sine fysiske grænser. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) udforsker derfor spin-bølger, eller såkaldte magnons - et lovende alternativ til transport af information i mere kompakte mikrochips. Samarbejde med internationale partnere, de har med succes genereret og kontrolleret spin-bølger med ekstremt kort bølgelængde. Fysikerne opnåede denne bedrift ved at udnytte et naturligt magnetisk fænomen, som de forklarer i journalen Natur nanoteknologi .

I lang tid, der har været én pålidelig tommelfingerregel i informationsteknologiens verden:Antallet af transistorer på en mikroprocessor fordobles cirka hvert andet år. Det resulterende præstationsboost bragte os de digitale muligheder, vi nu tager for givet, fra højhastighedsinternet til smartphonen. Men efterhånden som lederne på chippen bliver mere og mere minutter, vi begynder at stå over for problemer, som Dr. Sebastian Wintz fra HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research forklarer:"Elektronerne, der strømmer gennem vores moderne mikroprocessorer, opvarmer chippen på grund af elektrisk modstand. Ud over et bestemt punkt, chipsene fejler simpelthen, fordi varmen ikke længere kan slippe ud." Dette forhindrer også en yderligere stigning i komponenternes hastighed.

Det er derfor, fysikeren, som også i øjeblikket arbejder på Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, forestiller sig en anden fremtid for informationsbærere. I stedet for elektriske strømme, Wintz og hans kolleger udnytter en specifik egenskab ved elektroner kaldet spin. De små partikler opfører sig som om de konstant roterer rundt om deres egen akse, dermed skabe et magnetisk øjeblik. I visse magnetiske materialer, som jern eller nikkel, spinsene er typisk parallelle med hinanden. Hvis retningen af ​​disse spins ændres ét sted, at forstyrrelse rejser til nabopartiklerne, udløser en spin-bølge, der kan bruges til at kode og distribuere information. "I dette scenarie, elektronerne forbliver, hvor de er, " siger Wintz, beskriver deres fordel. "De genererer næsten ingen varme, hvilket betyder, at spin-baserede komponenter muligvis kræver langt mindre energi."

Hvordan kan vi kontrollere bølgen?

Indtil nu, imidlertid, der har været to grundlæggende udfordringer, der komplicerer brugen af ​​spin-bølger:De bølgelængder, der kan genereres, er ikke korte nok til de nanometerstore strukturer på chipsene, og der er ingen måde at kontrollere bølgerne. Sebastian Wintz og hans medarbejdere har nu kunnet finde løsninger på begge problemer. "I modsætning til de kunstigt fremstillede antenner, der almindeligvis bruges til at excitere bølgerne, vi bruger nu en, der er naturligt dannet inde i materialet, ", forklarer førsteforfatter Dr. Volker Sluka. "Til dette formål, vi fremstillede mikroelementer bestående af to ferromagnetiske diske, der er koblet antiferromagnetisk via en Ruthenium-afstandsholder. Desuden, vi valgte diskenes materiale, så spins foretrækker at justere langs en bestemt akse i rummet, hvilket resulterer i det ønskede magnetiske mønster."

Inden for de to lag, dette skaber områder med forskellig magnetisering adskilt af det, der kaldes en domænevæg. Forskerne udsatte derefter lagene for magnetiske felter vekslende med en frekvens på en gigahertz eller højere. Ved hjælp af et røntgenmikroskop fra Max Planck Institute for Intelligent Systems Stuttgart, som drives på Helmholtz-Zentrum Berlin, de var i stand til at observere, at spinbølger med parallelle bølgefronter bevæger sig langs retningen vinkelret på domænevæggen. "I tidligere eksperimenter, bølgens krusninger lignede dem, man får, når en sten rammer en vandoverflade, Sluka rapporterer. "Dette er ikke optimalt, fordi svingningen aftager hurtigt, da bølgen breder sig i alle retninger. For at blive i den samme analogi, bølgerne ser nu ud, som om de er frembragt af en lang stang, der bevæger sig frem og tilbage i vandet."

Som røntgenbillederne har vist, disse spin-bølger kan rejse adskillige mikrometer ved bølgelængder på kun omkring 100 nanometer, uden væsentligt tab af signal - en nødvendig forudsætning for at bruge dem i moderne informationsteknologi. I øvrigt, fysikerne har opdaget en mulig måde at kontrollere denne nye informationsbærer på, når de sætter stimulationsfrekvensen under en halv gigahertz. Spin-bølgerne forblev således fanget i domænevæggen:"I dette scenarie, bølgerne var endda i stand til at løbe i en kurve, "siger Volker Sluka, tilføjede:"Ikke desto mindre var vi stadig i stand til at registrere signalerne." Med deres resultater, forskerne har lagt et vigtigt fundament for den videre udvikling af spin-wave-baserede kredsløb.

I det lange løb, dette kan lette et helt nyt design af mikroprocessorer, Sebastian Wintz forudsiger:"Brug af magnetfelter, vi kan flytte domænevægge relativt nemt. Det betyder, at chips, der arbejder med spin-bølger, ikke nødvendigvis behøver en foruddefineret arkitektur, men de kan senere ændres og tilpasses til at løse nye opgaver."