Elektroniska enheter som transistorer blir mindre och kommer snart att nå gränserna för konventionell prestanda baserat på elektriska strömmar.

Enheter baserade på magnonströmmar-kvasipartiklar associerade med magnetiseringsvågor, eller spinnvågor, i vissa magnetiska material - skulle förändra industrin, även om forskare måste bättre förstå hur de kan kontrollera dem.

Ingenjörer vid University of California, Riverside, har tagit ett viktigt steg mot utvecklingen av praktiska magnoniska enheter genom att studera, för första gången, ljudnivån i samband med utbredning av magnonström.

Ljud, eller fluktuationer i en ström flöde, är ett viktigt mått för att mäta om en elektronisk enhet är lämplig för praktiska tillämpningar. Eftersom brus stör enhetens prestanda, en bättre förståelse för hur bullriga magnoner är kommer att hjälpa ingenjörer att utveckla bättre enheter.

All befintlig elektronik är baserad på ledare av elektricitet som metaller eller halvledare. När elektroner rör sig genom dessa material, de upplever spridning, vilket resulterar i elektrisk motstånd, uppvärmning, och energiförlust. När ström passerar genom en ledning eller halvledare, den oundvikliga uppvärmningen orsakar energiförlust. Mindre enheter och chips med en högre densitet av transistorer påskyndar energiförlusten på grund av uppvärmning. Enheter som använder konventionella elektroniska strömmar är nästan på den punkt där de inte kan göras mindre.

En ny materialklass har magnetiska egenskaper som härrör från spinn, en typ av medfödd fart. Individuella "bitar, "eller enheter av spinnvågor, kallas magnoner. Magnoner är inte sanna partiklar som elektroner, men de beter sig som partiklar och kan behandlas som sådana.

En krusning av energi som kallas en spinnvåg kan röra sig genom ett elektriskt isolerande material för att överföra energi utan att flytta några elektroner - som människor som gör vågen på en stadion. Detta innebär att magnoner kan föröka sig utan att generera mycket värme och förlora mycket energi.

Ett nytt elektronikfält som kallas magnonics försöker skapa enheter för informationsbehandling och lagring, liksom sensoriska tillämpningar, med hjälp av magnoner i stället för elektroner. Medan elektronbrus har varit känt under lång tid, ingen har undersökt magnonbrus - förrän nu.

Ett team under ledning av Alexander Balandin, en framstående professor i el- och datateknik vid UC Riversides Marlan och Rosemary Bourns College of Engineering, skapade ett chip som genererade en magnonström, eller snurrvåg, mellan sändande och mottagande antenner.

Experiment visade att magnoner inte är så bullriga vid lågeffektnivåer. Men vid höga effektnivåer, bullret blev ovanligt, domineras av stora fluktuationer forskare kallade slumpmässigt telegrafsignalbrus som skulle störa enhetens prestanda. Bullret var märkbart annorlunda än det som gjordes av elektroner och identifierar begränsningar för hur man bygger magnoniska enheter.

"Magnoniska enheter bör helst fungera med låg effektnivå, "Sa Balandin." Man kan säga att bullret från magnoner är diskret vid låg effekt men blir högt och diskret vid en viss effektströskel. Detta utgör den diskreta charmen med de magnoniska enheterna. Våra resultat berättar också för oss möjliga strategier för att hålla ljudnivån låg. "

Skulle upptäckten av ovanliga brusegenskaper hämma utvecklingen av magnoniska enheter?

"Nej, målet för informationsbehandling är att gå till låg effekt, "Sa Balandin.

Tills vidare, Balandins forskargrupp utför experiment med generiska komponenter för att förstå grunderna. Deras första experimentella enheter är relativt stora. De planerar att undersöka de fysiska mekanismerna för magnonbrus och testa en väsentligt nedskalad version av sådana enheter.

Pappret, "Det diskreta bullret från magnoner, "är en berättelse i Tillämpad fysikbokstäver , och kommer också att visas på omslaget till ett kommande nummer. Förutom Balandin, författarna är Sergey Rumyantsev, Mykhaylo Balinskyy, Fariborz Kargar, och Alexander Khitun.