Forskere bruger en syntetisk antiferromagnet i nanoskala til at skifte ikke-lineær spindynamik

Forskere ved University of California, Riverside, har brugt en syntetisk antiferromagnet i nanoskala til at kontrollere interaktionen mellem magnoner - forskning, der kan føre til hurtigere og mere energieffektive computere.

I ferromagneter, elektronspin peger i samme retning. At gøre fremtidens computerteknologier hurtigere og mere energieffektive, forskning i spintronik anvender spindynamik - fluktuationer i elektronspindene - til at behandle information. Magnons, de kvantemekaniske enheder for spinfluktuationer, interagere med hinanden, fører til ikke-lineære træk ved spindynamikken. Sådanne ikke-lineariteter spiller en central rolle i magnetisk hukommelse, spin drejningsmoment oscillatorer, og mange andre spintronic applikationer.

For eksempel, i det nye felt af magnetiske neuromorfe netværk - en teknologi, der efterligner hjernen - er ikke-lineariteter afgørende for tuning af magnetiske neuroners respons. Også, inden for et andet frontlinjeforskningsområde, ulineær spindynamik kan blive instrumentel.

"Vi forventer, at begreberne kvanteinformation og spintronik konsolideres i hybride kvantesystemer, " sagde Igor Barsukov, en adjunkt ved Institut for Fysik &Astronomi, der ledede undersøgelsen, der optræder i Anvendte materialer og grænseflader . "Vi bliver nødt til at kontrollere ikke-lineær spindynamik på kvanteniveau for at opnå deres funktionalitet."

Barsukov forklarede, at i nanomagneter, som fungerer som byggesten til mange spintroniske teknologier, magnoner viser kvantificerede energiniveauer. Interaktion mellem magnonerne følger visse symmetriregler. Forskerholdet lærte at konstruere magnon-interaktionen og identificerede to tilgange til at opnå ikke-linearitet:at bryde symmetrien af ​​nanomagnetens spin-konfiguration; og ændring af magnonernes symmetri. De valgte den anden tilgang.

"Modificering af magnonsymmetri er den mere udfordrende, men også mere applikationsvenlige tilgang, " sagde Arezoo Etesamirad, den første forfatter til forskningsoplægget og en kandidatstuderende i Barsukovs laboratorium.

I deres tilgang forskerne udsatte en nanomagnet for et magnetfelt, der viste uensartethed på karakteristiske nanometerlængdeskalaer. Dette uensartede magnetfelt i nanoskala skulle selv stamme fra et andet objekt i nanoskala.

For en kilde til et sådant magnetfelt, forskerne brugte en syntetisk antiferromagnet i nanoskala, eller SAF, bestående af to ferromagnetiske lag med antiparallel spin orientering. I sin normale tilstand, SAF genererer næsten intet omstrejfende felt - det magnetiske felt, der omgiver SAF, som er meget lille. Når den først gennemgår den såkaldte spin-flop-overgang, spindene bliver skråtstillede, og SAF genererer et herreløst felt med uensartethed på nanoskala, efter behov. Forskerne skiftede SAF mellem normaltilstand og spin-flop-tilstand på en kontrolleret måde for at slå det symmetri-brydende felt til og fra.

"Vi var i stand til at manipulere magnon-interaktionskoefficienten med mindst én størrelsesorden, " sagde Etesamirad. "Dette er et meget lovende resultat, som kunne bruges til at konstruere sammenhængende magnon-kobling i kvanteinformationssystemer, skabe dissipative tilstande i magnetiske neuromorfe netværk, og kontroller store excitationsregimer i spin-drejningsmomentenheder."