På grund av dess potential att göra datorer snabbare och smartphones mer effektiva, spintronics anses vara ett lovande koncept för elektronikens framtid. I ett samarbete inklusive Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ett team av forskare har nu framgångsrikt genererat så kallade spinnvågor mycket lättare och effektivare än vad som tidigare ansågs möjligt. Forskarna presenterar sina resultat i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Moderna datorchips bygger på transport av elektriska laddningar. Varje bearbetningshändelse får en elektronström att flöda i en elektronisk komponent. Dessa elektroner stöter på motstånd, som genererar oönskad värme. Ju mindre strukturer på ett chip, desto svårare är det att sprida värmen. Denna avgiftsbaserade arkitektur är också delvis anledningen till att processorernas klockfrekvenser inte har sett några signifikanta ökningar på flera år. Den stadiga utvecklingskurvan för chipprestanda och hastighet plattas nu ut. "Befintliga koncept når sina gränser, "förklarar Dr Sebastian Wintz från Institute of Ion Beam Physics and Materials Research vid HZDR." Det är därför vi arbetar med en ny strategi, snurrvågorna. "

Detta tillvägagångssätt innebär inte längre transportkostnader, men överför bara elektronernas inneboende vinkelmoment (spinn) i ett magnetiskt material. Elektronerna själva förblir stationära, medan bara deras snurr förändras. Eftersom snurren hos närliggande elektroner känner varandra, en förändring i ett snurr kan resa till sina grannar. Resultatet är en magnetisk signal som löper genom materialet som en våg - en snurrvåg. Fördelen med centrifugerade komponenter är att de skulle generera väldigt lite värme, vilket innebär att de kan använda betydligt mindre energi - och detta är av stort intresse för mobila enheter som smartphones. Det kan också vara möjligt att ytterligare miniaturisera komponenter för vissa applikationer eftersom spinnvågor har mycket kortare våglängder än jämförbara elektromagnetiska signaler, till exempel inom mobil kommunikation. Det betyder att vi kan passa fler kretsar på ett chip än vi kan idag.

Omrör en snurrvåg med en magnetvirvel

Innan vi kan göra allt detta, vi behöver först mycket mer grundläggande forskning. Till exempel, vi behöver veta hur vi effektivt kan generera spinnvågor. Experter har försökt lösa detta ett tag nu, fästa metallremsor av mikrometer på tunna magnetiska lager. En växelström som löper genom denna remsa skapar ett magnetfält som är begränsat till ett mycket litet utrymme. Detta fält kommer då att excitera en snurrvåg i magnetskiktet. Men den här metoden har en nackdel:Det är svårt att göra våglängden hos de genererade spinnvågorna mindre än metallremsans bredd-vilket är ogynnsamt för utvecklingen av högintegrerade komponenter med nanometerstora strukturer.

Ändå finns det ett alternativ:Ett magnetiskt material format till cirkulära skivor framkallar bildning av magnetiska virvlar vars kärnor inte mäter mer än cirka tio nanometer. Ett magnetfält kan sedan få denna virvelkärna att pendla, som utlöser en snurrvåg i skiktet. "För en tid sedan, vi behövde relativt komplexa flerskiktade material för att få detta att hända, "Wintz rapporterar." Nu har vi lyckats skicka ut spinnvågor från virvelkärnor i ett mycket enkelt material. "De använder ett lätttillverkat lager av järnlegering på cirka 100 nanometer i tjocklek.

Oväntat korta våglängder

Det som är anmärkningsvärt är våglängden hos de genererade spinnvågorna - bara 80 nanometer. "Expertgemenskapen var förvånad över att vi gjorde detta i ett så enkelt material, "säger Dr Georg Dieterle, som utforskade fenomenet i sin doktorsexamen avhandling vid MPI-IS. "Vi förväntade oss inte heller att vi skulle kunna generera så korta vågor vid frekvenser i det lägre gigahertz -området." Experter tror att orsaken till de korta våglängderna ligger i deras sätt att resa. Nära tvärsnittscentret för nickeljärnskiktet, snurrvågan bildar en slags "knut", inuti vilken den magnetiska riktningen bara svänger upp och ner snarare än längs dess vanligtvis cirkulära bana.

För att synliggöra dessa fenomen, laget använde ett speciellt röntgenmikroskop vid elektronlagringsringen BESSY II vid Helmholtz Zentrum Berlin. "Detta är den enda platsen på jorden som erbjuder den nödvändiga rymden och tidsupplösningarna i denna kombination, "understryker professor Gisela Schütz, direktör på MPI-IS. "Utan detta mikroskop, vi skulle inte ha kunnat observera dessa effekter. "Nu hoppas experterna att deras resultat kommer att hjälpa till att utveckla spintronik ytterligare." Våra virvelkärnor kan, till exempel, fungera som lokal, väl kontrollerbar källa för att utforska de bakomliggande fenomenen och utveckla nya koncept med spin-wave-baserade komponenter, "Säger Dieterle." De spinnvågor vi observerade kan vara av framtida relevans för mycket integrerade kretsar. "