Var det med smartphones, bärbara datorer, eller stordatorer:transmissionen, bearbetning, och lagring av information är för närvarande baserad på en enda klass av material – som det var i datavetenskapens tidiga dagar för cirka 60 år sedan. En ny klass av magnetiska material, dock, kan höja informationstekniken till en ny nivå. Antiferromagnetiska isolatorer möjliggör beräkningshastigheter som är tusen gånger snabbare än konventionell elektronik, med betydligt mindre uppvärmning. Komponenter kan packas närmare varandra och logikmoduler kan därmed bli mindre, som hittills varit begränsad på grund av den ökade uppvärmningen av nuvarande komponenter.

Informationsöverföring vid rumstemperatur

Än så länge, problemet har varit att informationsöverföringen i antiferromagnetiska isolatorer bara fungerade vid låga temperaturer. Men vem vill lägga sina smartphones i frysen för att kunna använda den? Fysiker vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har nu kunnat eliminera denna brist, tillsammans med experimentalister från CNRS/Thales lab, CEA Grenoble, och National High Field Laboratory i Frankrike samt teoretiker från Centre for Quantum Spintronics (QuSpin) vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet. "Vi kunde överföra och bearbeta information i en standard antiferromagnetisk isolator vid rumstemperatur - och att göra det över tillräckligt långa avstånd för att möjliggöra informationsbearbetning." sa JGU-forskaren Andrew Ross. Forskarna använde järnoxid (α-Fe ₂ O ₃ ), huvudkomponenten i rost, som en antiferromagnetisk isolator, eftersom järnoxid är utbrett och lätt att tillverka.

Överföringen av information i magnetiska isolatorer möjliggörs av excitationer av magnetisk ordning som kallas magnoner. Dessa rör sig som vågor genom magnetiska material, liknande hur vågor rör sig över vattenytan i en damm efter att en sten har kastats in i den. Tidigare, man trodde att dessa vågor måste ha cirkulär polarisation för att effektivt kunna överföra information. I järnoxid, sådan cirkulär polarisation sker endast vid låga temperaturer. Dock, det internationella forskarteamet kunde sända magnoner över exceptionellt långa avstånd även vid rumstemperatur. Men hur fungerade det?

"Vi insåg att i antiferromagneter med ett enda plan, två magnoner med linjär polarisation kan överlappa och migrera tillsammans. De kompletterar varandra för att bilda en ungefär cirkulär polarisation, " förklarade Dr Romain Lebrun, forskare vid det gemensamma CNRS/Thales-laboratoriet i Paris som tidigare arbetat i Mainz. "Möjligheten att använda järnoxid vid rumstemperatur gör det till en idealisk lekplats för utveckling av ultrasnabba spintroniska enheter baserade på antiferromagnetiska isolatorer."

Extremt låg dämpning möjliggör energieffektiv överföring

En viktig fråga i informationsöverföringsprocessen är hur snabbt informationen går förlorad när man rör sig genom magnetiska material. Detta kan registreras kvantitativt med värdet på den magnetiska dämpningen. "Den undersökta järnoxiden har en av de lägsta magnetiska dämpningarna som någonsin rapporterats i magnetiska material, " förklarade professor Mathias Kläui från JGU Institute of Physics. "Vi räknar med att tekniker med höga magnetiska fält kommer att visa att andra antiferromagnetiska material har liknande låg dämpning, vilket är avgörande för utvecklingen av en ny generation av spintronic-enheter. Vi eftersträvar sådana magnetiska lågeffektsteknologier i ett långsiktigt samarbete med våra kollegor på QuSpin i Norge och jag är glad att se att ytterligare ett spännande arbete kommer ut ur detta samarbete."

Forskningen har nyligen publicerats i Naturkommunikation .