Brug af magnetiske orme til at konstruere nanoskala kommunikationssystemer

Forskere ved EPFL har vist, at elektromagnetiske bølger koblet til præcist konstruerede strukturer kendt som kunstige ferromagnetiske kvasikrystaller muliggør mere effektiv informationstransmission og -behandling på nanoskala. Deres forskning repræsenterer også den første praktiske demonstration af Conway-orme, et teoretisk begreb til beskrivelse af kvasikrystaller.

Højfrekvente elektromagnetiske bølger bruges til at transmittere og behandle information i mikroelektroniske enheder såsom smartphones. Det er allerede forstået, at disse bølger kan komprimeres ved hjælp af magnetiske oscillationer kendt som spinbølger eller magnoner. Denne komprimering kunne bane vejen for design af nanoskala, multifunktionelle mikroovne med et betydeligt reduceret fodaftryk. Men først, forskere har brug for at få en bedre forståelse af spin-bølger - eller præcis hvordan magnoner opfører sig og udbreder sig i forskellige strukturer.

Lær mere om aperiodiske strukturer

I en undersøgelse udført af ph.d.-assistent Sho Watanabe, postdoc forsker Dr. Vinayak Bhat, og yderligere teammedlemmer, forskerne fra EPFL's Laboratory of Nanoscale Magnetic Materials and Magnonics (LMGN) undersøgte, hvordan elektromagnetiske bølger udbreder sig, og hvordan de kunne manipuleres, i præcist konstruerede nanostrukturer kendt som kunstige ferromagnetiske kvasikrystaller. Kvasikrystallerne har en unik egenskab:deres struktur er aperiodisk, hvilket betyder, at deres konstituerende atomer eller skræddersyede elementer ikke følger en regulær, gentagende mønster, men er stadig arrangeret deterministisk. Selvom denne egenskab gør materialer særligt nyttige til design af hverdags- og højteknologiske enheder, det er stadig dårligt forstået.

Hurtigere, lettere overførsel af information

LMGN-holdet fandt ud af, at under kontrollerede forhold, en enkelt elektromagnetisk bølge koblet til en kunstig kvasikrystal deler sig i flere spin-bølger, som derefter forplanter sig i strukturen. Hver af disse spin-bølger repræsenterer en anden fase af den originale elektromagnetiske bølge, bærer forskellige oplysninger. "Det er en meget interessant opdagelse, fordi eksisterende informationstransmissionsmetoder følger samme princip, siger Dirk Grundler, en lektor ved EPFL's School of Engineering (STI). "Medmindre du har brug for en ekstra enhed, en multiplekser, at opdele inputsignalet, fordi det - i modsætning til i vores undersøgelse - ikke deler sig af sig selv."

Grundler forklarer også, at i konventionelle systemer, informationen indeholdt i hver bølge kan kun læses ved forskellige frekvenser - en anden ulempe, som EPFL-teamet overvandt i deres undersøgelse. "I vores todimensionelle kvasikrystaller, alle bølgerne kan læses med samme frekvens, " tilføjer han. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Bølger, der breder sig som orme

Forskerne observerede også, at i stedet for at sprede sig tilfældigt, bølgerne bevægede sig ofte som såkaldte Conway-orme, opkaldt efter en velkendt matematiker John Horton Conway, der også udviklede en model til at beskrive adfærd og fødemønstre for forhistoriske orme. Conway opdagede, at inden for todimensionelle kvasikrystaller, indgående elementer arrangeres som bugtende orme efter en Fibonacci-sekvens. Derved danner de udvalgte endimensionelle kvasikrystaller. "Vores undersøgelse repræsenterer den første praktiske demonstration af dette teoretiske koncept, beviser, at sekvenserne inducerer interessante funktionelle egenskaber af bølger i en kvasikrystal, siger Grundler.