Magnetbølge flyder under bedre kontrol fra nu af

Endnu hurtigere processorer med endnu mindre dimensioner? Hvor hverken elektronik eller spintronics kan klare ydeevne eller miniaturisering, magnonics kommer til undsætning. Men inden det sker, forskere skal lære at nøjagtigt simulere strømmen af ​​magnetiske bølger gennem magnoniske krystaller. På Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi i Krakow er der netop taget et vigtigt skridt i denne retning.

Man kan argumentere for, om antallet af huller i ost er relateret til dets kvalitet eller ej. Fysikere, der beskæftiger sig med magnoniske materialer, har ikke sådanne dilemmaer:jo flere huller der er i materialet, jo mere interessante dens magnetiske egenskaber bliver, men også radikalt vanskeligere at beskrive og modelere. I en artikel offentliggjort i Videnskabelige rapporter en gruppe eksperimentelle og teoretiske fysikere fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Cracow præsenterer en ny, eksperimentelt verificeret model, som for første gang, gør det muligt at simulere lokale ændringer i de magnetiske egenskaber ved magnoniske krystaller, med stor nøjagtighed. Under dette eksotiske navn er skjult tynde, flerlags metalliske strukturer, der indeholder et almindeligt gitter med mindre eller større, mere eller mindre sammenhængende runde huller. De Krakow-baserede analyser tyder også på, at de magnetiske fænomener, der forekommer i magnoniske krystaller, er mere komplekse end tidligere forudsagt.

"Metallic strukturer i flere lag med et almindeligt gitter af runde huller er først for nylig blevet undersøgt - og ikke uden problemer. Pointen er, at dette netværk af huller dramatisk ændrer systemets magnetiske egenskaber, især den måde, hvorpå magnetiske bølger formeres i den. Fænomenerne bliver så komplicerede, at ingen til dato har været i stand til at beskrive eller simulere dem godt, "siger Dr. Michal Krupinski (IFJ PAN).

Elektronik er behandling af information ved hjælp af elektriske ladninger af elektroner, der strømmer gennem systemet. Spintronics, tippet til at blive efterfølgeren til elektronik, bruger også elektronstrømme, men er opmærksom på ikke deres elektriske ladning, men at snurre (med andre ord:til de magnetiske egenskaber). På baggrund af begge disse felter, magnonics adskiller sig fundamentalt. Der er ingen organiserede mediestrømme i magnoniske enheder. Det, der strømmer gennem systemet, er magnetiske bølger.

Forskellene mellem disse områder er lettere at forstå ved en analogi med sportens verden. Når et stadion fyldes eller tømmes, strømme af mennesker flyder inden i det. Hvis elektronik fungerede her, det ville være opmærksom på antallet af mennesker, der kom ind og forlod stadion. Spintronics ville også observere menneskers bevægelse, men det ville være interesseret i bevægelser af mennesker med lyst eller mørkt hår. I denne analogi, magnonics ville håndtere strømmen ... af mexicanske bølger. Bølger som denne kan cirkulere hele stadion på trods af, at ingen fan bevæger sig væk fra sit sæde.

Fysikerne fra Krakow producerede deres magnoniske krystaller ved hjælp af metoden opfundet af prof. Michael Giersig fra Freie Universität Berlin og udviklet i IFJ PAN af Dr. Krupinski. Det første trin er at anvende polystyren-nanopartikler på et ikke-magnetisk substrat (f.eks. Silicium). Sfærerne er selvorganiserende og kan gøre dette på forskellige måder afhængigt af forholdene. Substratet dækket med organiserede kugler udsættes derefter for virkningen af ​​plasma i et vakuumkammer, som gør det muligt at reducere kuglernes diameter på en kontrolleret måde. Tynde lag af egnede metaller påføres derefter på den således fremstillede prøve, den ene efter den anden. Efter at alle lagene er blevet påført, materialet vaskes med organiske opløsningsmidler for at fjerne kuglerne. Slutresultatet er en periodisk struktur, der ligner en mere eller mindre tæt sigte, permanent bundet til et siliciumsubstrat (potentielt behøver det ikke at være stift, teamet fra IFJ PAN kan også danne lignende strukturer f.eks. på fleksible polymersubstrater).

"De systemer, vi undersøgte, bestod af 20 skiftevis lag af kobolt og palladium. Det er meget tynde strukturer. Deres tykkelse er kun 12 nanometer, hvilket svarer til omkring 120 atomer, "siger Dr. Krupinski.

Afhængig af hullernes størrelse, større eller mindre områder med former svarende til en trekant dannes mellem deres berøringspunkter. Atomer inden for disse områder kan magnetiseres på samme måde og danne såkaldte magnetbobler. Disse bobler kan bruges til at gemme oplysninger, og ændringer i deres magnetisering muliggør spredning af magnetiske bølger i systemet.

Den teoretiske model, bygget i IFJ PAN under ledelse af Dr. Pawel Sobieszczyk, beskriver magnetiske fænomener, der forekommer i krystaller med dimensioner på to til to mikrometer. På mikroverdenens skala, disse dimensioner er enorme:Antallet af atomer er så stort, at det ikke længere er muligt at simulere opførsel af enkeltatomer. Imidlertid, på grund af den indbyrdes magnetiske interaktion, de magnetiske momenter for tilstødende atomer er normalt orienteret i næsten samme retning. Denne observation tillod atomer at blive grupperet i små mængder (voxels), som kunne behandles som enkelte objekter. Denne procedure reducerede modellens beregningskompleksitet radikalt og gjorde det muligt at udføre numeriske simuleringer, som blev udført på Academic Computer Center Cyfronet AGH University of Science and Technology i Cracow.

"Nøglen til succes var tanken om at inkorporere ufuldkommenheder, der findes i ægte magnoniske krystaller, i modellen, "siger Dr. Sobieszczyk og opregner:" Først og fremmest, virkelige strukturer er aldrig perfekte krystaller. De er normalt klynger af mange krystaller kaldet krystallitter. Afhængig af størrelse og form, krystallitter kan have forskellige magnetiske egenskaber. I øvrigt, kemiske forurenende stoffer kan forekomme i systemet. De får visse områder af materialet til at miste deres magnetiske egenskaber. Endelig, de enkelte metallag kan stedvis være tykkere eller tyndere. Vores model fungerer så præcist, fordi den tager alle disse effekter i betragtning. "

Modellen præsenteret her forudsiger eksistensen af ​​en interessant, hidtil uobserveret fænomen. Når to tilstødende bobler magnetiseres omvendt, atomernes magnetiske øjeblikke mellem dem kan ændre deres retning enten ved at rotere parallelt med lagets plan eller vinkelret. Der skabes derefter en slags væg mellem boblerne, i det første tilfælde kaldet en Bloch -væg, i den anden - en Néel -væg. Indtil nu, det blev antaget, at der kun kunne findes vægge af en slags i en given magnonisk krystal. Modellen udviklet af fysikere fra IFJ PAN antyder, at begge typer magnetiske vægge kan forekomme i den samme krystal.

Magnonics er kun lige begyndt. Vejen til komplekse processorer - mindre, hurtigere, og med en logisk struktur, der kunne omprogrammeres efter behov - er der stadig et stykke vej. Magnoniske minder og innovative sensorer, der er i stand til at detektere små mængder stoffer, virker mere realistiske. Forståelse af de mekanismer, der er ansvarlige for de magnetiske egenskaber ved magnoniske krystaller og måderne, hvorpå magnetiske bølger flyder, bringer os tættere på denne type enheder. Dette er et vigtigt skridt, hvorefter de næste sikkert kommer.