Moderna datorer använder elektroner för att bearbeta information, men denna design börjar nå teoretiska gränser. Det skulle dock kunna vara möjligt att använda magnetism istället och därmed fortsätta utvecklingen av både billigare och kraftfullare datorer, tack vare arbete av forskare från Niels Bohr Institutet (NBI) och Köpenhamns universitet. Deras studie är publicerad i tidskriften Nature Communications .

"En dators funktion innebär att skicka elektrisk ström genom ett mikrochip. Även om mängden är liten kommer strömmen inte bara att transportera information utan också bidra till att värma upp chipet. När du har ett stort antal komponenter tätt packade blir värmen ett problem. Detta är en av anledningarna till att vi har nått gränsen för hur mycket man kan krympa komponenterna. En dator baserad på magnetism skulle undvika problemet med överhettning", säger professor Kim Lefmann, Condensed Matter Physics, NBI.

"Vår upptäckt är inte ett direkt recept för att göra en dator baserad på magnetism. Vi har snarare avslöjat en grundläggande magnetisk egenskap som du måste kontrollera om du vill designa en sådan dator."

Kvantmekaniken stoppar accelerationen

För att förstå upptäckten måste man veta att magnetiska material inte nödvändigtvis är enhetligt orienterade. Med andra ord kan områden med magnetiska nord- och sydpoler existera sida vid sida. Dessa områden kallas domäner, och gränsen mellan en nord- och sydpolsdomän är domänväggen.

Även om domänväggen inte är ett fysiskt objekt har den ändå flera partikelliknande egenskaper. Det är ett exempel på vad fysiker kallar kvasipartiklar, vilket betyder virtuella fenomen som liknar partiklar.

"Det är väl etablerat att man kan flytta domänväggens position genom att applicera ett magnetfält. Inledningsvis kommer väggen att reagera på liknande sätt på ett fysiskt föremål som utsätts för gravitation och accelererar tills det träffar ytan under. Men andra lagar gäller kvantvärlden", förklarar Kim Lefmann.

"På kvantnivå är partiklar inte bara föremål utan också vågor. Det gäller även en kvasipartikel som en domänvägg. Vågegenskaperna innebär att accelerationen bromsas upp när väggen interagerar med atomer i omgivningen. . Snart kommer accelerationen att stanna helt, och väggens position kommer att börja svänga."

Schweizisk hypotes gav inspiration

Ett liknande fenomen ses för elektroner. Här är den känd som Bloch-svängningar uppkallad efter den amerikansk-schweiziska fysikern och nobelpristagaren Felix Bloch som upptäckte den 1929.

1996 föreslog schweiziska teoretiska fysiker att en parallell till Bloch-svängningar möjligen kunde existera inom magnetism. Nu – lite mer än ett kvarts sekel senare – lyckades Kim Lefmann och hans kollegor bekräfta denna hypotes.

Forskargruppen har studerat rörelsen av domänväggar i det magnetiska materialet CoCl₂ ∙ 2D₂ O.

"Vi har länge vetat att det skulle vara möjligt att verifiera hypotesen, men vi förstod också att det skulle kräva tillgång till neutronkällor. Unikt nog reagerar neutroner på magnetfält trots att de inte är elektriskt laddade. Detta gör dem idealiska för magnetiska studier, säger Kim Lefmann.

Boost för forskning inom magnetik

Neutronkällor är storskaliga vetenskapliga instrument. Över hela världen finns det bara ett tjugotal anläggningar och konkurrensen om stråltid är hård. Teamet har först nu lyckats få tillräckligt med data för att tillfredsställa Nature Communications redaktörer.

"Vi har haft stråltid på NIST i USA respektive ILL i Frankrike. Lyckligtvis kommer förutsättningarna för magnetisk forskning att förbättras avsevärt när ESS (European Spallation Source, red.) tas i drift i Lund, Sverige. Inte bara våra chanser för stråltiden blir bättre, eftersom Danmark är delägare i anläggningen. Kvaliteten på resultaten kommer att bli ungefär 100 gånger bättre, eftersom ESS kommer att bli en extremt kraftfull neutronkälla", säger Kim Lefmann.

För att förtydliga framhåller han att även om kvantmekanik är inblandat skulle en dator baserad på magnetism inte vara en typ av kvantdator. "I framtiden förväntas kvantdatorer kunna ta sig an extremt komplicerade uppgifter. Men även då kommer vi fortfarande att behöva konventionella datorer för den mer vanliga beräkningen. Det är här datorer baserade på magnetism kan bli relevanta alternativ lika bättre än nuvarande datorer. ." + Utforska vidare

Forskare skapar konstiga kvant-"domänväggar" i laboratoriet