1991, Kemisten Joel Miller från University of Utah utvecklade den första magneten med kolbaserade, eller ekologisk, komponenter som var stabila vid rumstemperatur. Det var ett stort framsteg inom magnetik, och han har utforskat applikationerna sedan dess.

Tjugofem år senare, fysikerna Christoph Boehme och Valy Vardeny demonstrerade en metod för att omvandla kvantvågor till elektrisk ström. De också, visste att de hade upptäckt något viktigt, men visste inte dess tillämpning.

Nu har dessa tekniker gått ihop och kan vara det första steget mot en ny generation snabbare, mer effektiv och mer flexibel elektronik.

Arbetar tillsammans, Mjölnare, Boehme, Vardeny och deras kollegor har visat att en organiskt baserad magnet kan bära vågor av kvantmekanisk magnetisering, kallas magnoner, och omvandla dessa vågor till elektriska signaler. Det är ett genombrott för området magnonik (elektroniska system som använder magnoner istället för elektroner) eftersom magnoner tidigare hade skickats genom oorganiska material som är svårare att hantera.

"Gå till dessa organiska material, vi har möjlighet att skjuta in magnonik i ett område som är mer kontrollerbart än oorganiska material, "Säger Miller. Deras resultat publiceras idag i Naturmaterial.

Hur Magnonics fungerar

Innan fortsättning, låt oss prata om vad en magnon är och hur den kan användas inom elektronik. Nuvarande elektronik använder elektroner för att bära information längs ledningar. Magnoner kan också leda information genom material, men istället för att bestå av elektroner, magnoner är vågor som består av en kvantegenskap som kallas spin.

Tänk dig en fotbollsstadion, full av entusiastiska fans som håller upp armarna för att heja på sitt lag. Låt oss säga att den riktning som deras armar pekar på är deras rotationsorientering. Om varje fläkt håller armarna rakt upp i luften samtidigt, då är allas rotationsorientering densamma och de har gjort, i huvudsak, en magnet.

Nu börjar publiken "The Wave, "utom i stället för att stå och sitta, en gång fläktar lutar armarna åt höger. Nästa gång upptäcker denna förändring i snurr och skickar den vidare till nästa rad. Inom kort, denna magnet har en snurrbaserad våg som går runt stadion.

Kvantversionen av den spinnbaserade vågen är en magnon.

"Nu har du ett sätt att sända information i ett material, "säger fysikprofessor och pappers medförfattare Boehme." Du kan tänka på magnonik som elektronik. Du har kretsar och när du lyckas bygga digital logik av detta, Du kan också bygga datorer. "

Väl, inte än. Även om magnoner har varit kända för vetenskapen i årtionden, först nyligen har deras potential att bygga elektronik förverkligats.

För närvarande, de flesta magnonikforskare använder yttriumjärngranat (YIG) som sitt vågbärarmaterial. Det är dyrt och svårt att producera, speciellt som en tunn film eller tråd. Boehme säger att han en gång övervägde att införliva YIG i ett av hans instrument och var tvungen att ge upp eftersom materialet visade sig vara så problematiskt att hantera just den applikationen.

Montering av laget

Boehme och Vardeny, framstående professor i fysik, studera också alternativet till elektronik som kallas spintronics, varav magnonics är ett underfält. År 2016 visade de hur man enkelt observerade "inverse spin Hall -effekten, "ett sätt att omvandla spinnvågor till elektrisk ström.

De började arbeta tillsammans med Miller genom ett National Science Foundation-finansierat Material Research Research and Engineering Center (MRSEC) vid University of Utah. 1991, Miller hade producerat det första magnetiska materialet med hjälp av organiskt, eller kolbaserad, komponenter. De tre bestämde sig för att testa Millers organiska magnet för att se om den kunde användas som ett alternativ till YIG i magnoniska material. De testade för elektronspinnresonans (ESR), ett mått på hur länge magnoner skulle hålla i materialet. Ju smalare ESR -linjen, de längre levde magnonerna.

Linjen var verkligen mycket smal, Säger Vardeny. "Det är en spela in smal linje. "

Men att arbeta med den organiskt baserade magneten, känd som vanadiumtetracyanoeten eller V (TCNE) _x , bjöd fortfarande på några utmaningar. Materialet är mycket känsligt för syre, besläktad med sällsynta jordartsmagneter. "Om den är nygjord, det kommer antagligen att brinna, "Säger Miller." Det kommer att förlora sin magnetism. "Teamet behövde hantera de tunna filmerna av V (TCNE) _x under syrefattiga förhållanden.

Att genomföra experiment krävde en aktivitetskonsert, med medlemmar i forskargruppen var och en på sin rätta plats vid rätt tidpunkt för att fortsätta nästa fas av experimentet.

"Räkna antalet författare på tidningen, "Säger Boehme. (Det finns 14.)" Varje gång vi utförde ett experiment, alla var tvungna att stå där och vara redo i tid för att delta i denna process. "Det började med att en av Millers studenter anlände vid 4 -tiden för att förbereda ett föregångsmaterial och fortsatte i två till tre dagar kontinuerligt när forskargrupper passerade taktpinnen av material och data.

Inte alla experimentella körningar lyckades. Tidigt på, teamet fick reda på att kopparkontakten de använde för att omvandla magnoner till elektricitet med hjälp av den inversa spin -Hall -effekten reagerade med V (TCNE) _x och skulle därför inte fungera. En övergång till platinakontakter i nästa körning lyckades.

Lovande resultat

I slutet, teamet rapporterade att de kunde generera stabila magnoner i organiska magneter och omvandla dessa spinnvågor till elektriska signaler - en stor språngbräda. Magnonernas stabilitet i V (TCNE) _x var lika bra som i YIG.

Forskarna hoppas att detta framsteg leder till fler framsteg mot att magnonik ersätter elektronik, eftersom magnonsystem kan vara mindre och snabbare än nuvarande system med mindre värmeförlust och mycket mindre energi krävs. Konventionell elektronik fungerar på en skala av volt, Säger Boehme. Magnoner fungerar på en skala av millivolt, som innehåller cirka 1, 000 gånger mindre energi.

Teamet hoppas sedan kunna arbeta mot magnoniska kretsar med V (TCNE) _x , och testa även andra material. "Det finns många organiskt baserade magneter, "Säger Boehme." Det finns ingen anledning att tro att om du slumpmässigt väljer en, det är nödvändigtvis det bästa. "

Det återstår att se, fastän, vad löftet om magnonics kan komma bortom snabbare, mindre och effektivare elektronik. "Vi kan inte förutse "Säger Miller, "vad vi inte kan förutse."