Ett internationellt team från Delft, Lancaster, Nijmegen, Kiev och Salerno har demonstrerat en ny teknik för att generera magnetiska vågor som fortplantar sig genom materialet med en hastighet som är mycket snabbare än ljudets hastighet.

Dessa så kallade spinnvågor producerar mycket mindre värme än konventionella elektriska strömmar, vilket gör dem till lovande kandidater för framtida beräkningsenheter med avsevärt minskad strömförbrukning.

Fysiker och ingenjörer från hela världen funderar ständigt på sätt att förbättra prestanda för databehandlingsenheter. Många av deras idéer kretsar kring att ersätta de elektriska strömmarna, som bär signalerna i konventionell elektronik, med vågor. Vågor är sammanhängande excitationer, vilket innebär att information kan kodas in i både amplituden och vågens fas. Interferens och diffraktion, naturfenomen för en våg av vilken natur som helst, möjliggöra skapandet av så kallade vågbaserade logiska kretsar, de små byggstenarna för framtida databehandlingstillämpningar. Eftersom vågor färdas genom material med betydligt lägre motstånd än elektriska strömmar, de har potential att drastiskt minska strömförbrukningen i framtida datoranvändning.

Spinnvågor i antiferromagneter

Magnetiska vågor, även kallade spinnvågor, är en av de mest lovande kandidaterna för vågbaserade logiska enheter. Experiment med spinnvågor i vanliga (ferro)magneter har visat att det är möjligt att bygga små logiska enheter utan att använda elektriska strömmar. Ferromagneter kännetecknas av en nettomagnetisering. På grund av det senare, vi kan skriva och läsa magnetisk information på ferromagneter med hjälp av ett externt magnetfält.

På senare år har det har skett ett fokusskifte mot användningen av antiferromagneter. I antiferromagnetiska material, de mikroskopiska magnetiska momenten hos närliggande atomer – spinnen – är tätt kopplade och växlar mellan två motsatta orienteringar, så att det inte sker någon nettomagnetisering. Förekomsten av denna omväxlande ordning leder till betydligt högre spinnvågspropagationshastigheter och möjligheten till terahertz (biljoner hertz) operativa klockfrekvenser. Dock, frånvaro av magnetisering gör också antiferromagneter magnetiskt 'osynliga':det är mycket svårt att upptäcka och påverka den antiferromagnetiska ordningen. Praxis har visat att det är ännu svårare att generera och detektera spinnvågor som kan röra sig genom antiferromagnetiska medier. Som ett resultat, beräkningskoncept baserade på antiferromagnetiska spinnvågor har hittills funnits som ett teoretiskt tilltalande men experimentellt okänt område med spännande möjligheter. Att hitta nya sätt att kontrollera de ”magnetiska stunderna” i antiferromagneter är därför av avgörande betydelse.

Det internationella forskarteamet har nu lyckats skapa nanometerstora koherenta magnetiska vågor i en antiferromagnet som färdas med överljudshastigheter genom materialet. Deras knep var att använda ultrakorta ljuspulser för att både skapa och detektera dessa spinnvågor. "Medan vi visste att ultrakorta ljuspulser kan påverka magnetiska egenskaper hos antiferromagnetiska material, möjligheten att lansera kortvågiga utbredningsvågor med ljus var fortfarande ganska oväntat", säger forskaren Jorrit Hortensius vid Delfts tekniska universitet. "Detta beror på att ljuspulser saknar den momentum som krävs för att skapa kortvåglängd-eller stor fart-spinnvågor."

En lokal ultrasnabb kick

Det har varit känt i några år att ultrakorta ljuspulser kan hålla nyckeln till att skapa högfrekventa förökande spinnvågor. Inom en pikosekund (en miljondels miljondels sekund), sådana pulser kan skaka om det ordnade magnetsystemet och starta magnetisk rörelse i antiferromagneter. Dock, typiskt sett förblir det exciterade området lokaliserat och stöder inte förökning. Att göra excitationen att resa över materialet krävde ytterligare en dold ingrediens. "De flesta antiferromagnetiska material är dielektriska, vilket innebär att de är genomskinliga för synligt ljus. Vi använde istället ultraviolett ljus som absorberas starkt, så att vi bara skakar snurrarna väldigt nära materialets yta, inom det så kallade huddjupet", säger forskaren Dmytro Afanasiev. "Kombinationen av den ultrasnabba kicken med den starka inneslutningen vid materialets yta visade sig vara kombinationen för att inducera utbredningen av antiferromagnetiska spinnvågor."

Spinnvågorna har våglängder på cirka 100 nm, vilket är mycket mindre än ljusets våglängd. Detta får forskarna att tro att de kan ha skapat ännu mindre spinnvågor, även om de inte kan observera dem med sina nuvarande instrument. Jorrit Hortensius:"Eftersom spinnvågor med mycket små våglängder är de mest intressanta för att skapa mycket kompakta beräkningselement, vi är väldigt nyfikna på att veta vad gränsen går."

Detta arbete för framtida spin-wave-enheter i antiferromagneter närmare verkligheten. Rostislav Mikhaylovskiy från Lancaster University säger:"Traditionellt har de antiferromagnetiska materialen ansetts praktiskt taget oanvändbara eftersom de inte har magnetisering. mycket nyligen utlöste antiferromagnets unika funktioner en verklig boom i deras studier. Vi tror att våra fynd kommer att stimulera ytterligare forskning om antiferromagnetiska spinnvågor och så småningom få en antiferromagnetbaserad logisk enhet till praktisk räckvidd-vilket potentiellt öppnar dörren för en radikal minskning av den effekt som behövs för datorer. "