Med miniatyriseringens snabba framsteg, databehandling med hjälp av elektriska strömmar står inför tuffa utmaningar, av vilka några är oöverstigliga. Magnetiska spinnvågor är ett lovande alternativ för överföring av information i ännu mer kompakta marker. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), som en del av en internationell forskningssatsning, har nu lyckats generera spinnvågor med extremt korta våglängder i nanometerområdet - en nyckelfunktion för deras framtida tillämpning.

Mindre, snabbare, mer energieffektivt – detta är mantrat för vidareutvecklingen av datorer och mobiltelefoner som just nu går framåt i en hisnande takt. Dock, Dr Sebastian Wintz från HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research vet bara alltför väl, hur svårt det redan är att uppnå någon ytterligare grad av miniatyrisering. "Ett stort problem med nuvarande teknik, " han sa, "är värmen som genereras när data överförs med hjälp av elektriska strömmar. Vi behöver ett nytt koncept." Fysikern arbetar tillsammans med internationella kollegor med så kallade spinnvågor (magnoner) som i framtiden kommer att ersätta rörliga laddningar som informationsbärare. Forskarna har nu för första gången lyckats generera spinnvågor med så korta våglängder att de har potential för framtida tillämpningar inom databehandling.

Spinnvågor ersätter elektrisk ström

Spinn betecknar en egenskap som ger partiklarna ett magnetiskt moment. De fungerar då som små magneter som löper parallellt med varandra i ferromagnetiska material. Om ett av snurren sedan ändrar riktning, detta har en negativ effekt på sina grannar. En kedjereaktion ger upphov till en spinnvåg.

Bearbetningen av information är för närvarande baserad på elektriska strömmar. De laddade partiklarna rusar genom ett nätverk av trådar som pressas närmare och närmare varandra, drivs av önskan om allt mer kompakta chips. På väg, elektronerna kolliderar med atomer, får dem att gunga fram och tillbaka i kristallgittret och därigenom generera värme. Om ledningarna är för nära varandra, denna värme kan inte längre avledas och systemet går sönder. "Den stora fördelen med spinnvågor är att elektronerna själva inte rör sig, " förklarade Wintz, "därför produceras värdefull liten värme av dataflödet."

Magnetisk virvel som nanoantenn

Den traditionella metoden som används för att generera spinnvågor är att använda små metallantenner som genererar magnoner när de drivs av en högfrekvent växelström. Den minsta våglängden som kan genereras på detta sätt kommer att vara ungefär lika stor som den antenn som används. Det är just här det stora problemet ligger i att det krävs små våglängder på nanometerskalan för att tillgodose kravet på allt större miniatyrisering. Det är för närvarande inte möjligt, dock, att göra så små högfrekventa antenner.

Forskargruppen från Tyskland, Schweiz och USA har nu lyckats generera spinnvågor med extremt korta våglängder på ett helt nytt sätt. Som en naturligt formad antenn, de använder mitten av en magnetisk virvel som produceras i en liten, ultratunn ferromagnetisk skiva. På grund av diskens begränsade storlek, snurren ställs inte alla upp parallellt som vanligt utan ligger längs koncentriska cirklar i skivans plan. Detta, i tur och ordning, tvingar snurrarna från ett litet område i mitten av skivan, som bara mäter några nanometer i diameter, att räta upp sig och, Således, att peka bort från skivans yta. Om detta centrala område utsätts för ett växelmagnetiskt fält så produceras en spinnvåg.

Några fler knep behövs, dock, för att förkorta våglängden efter behov. Följaktligen, en andra liten skiva placeras på den första, åtskilda av en tunn, icke-magnetiskt skikt. När detta separerande skikt är tillverkat med en specifik tjocklek, då interagerar de två skivorna på ett sådant sätt att de framkallar en antiferromagnetisk koppling mellan skivorna - spinnen försöker peka i motsatta riktningar - vilket minskar våglängden på de utsända spinnvågorna många gånger om. "Först på detta sätt kommer vi fram till ett resultat som är relevant för informationsteknologi, " tillade Wintz.

Attraktiva fastigheter för applikationer

Forskarna demonstrerade inte bara de korta våglängderna för de spinnvågor som genererades på detta sätt utan kunde också avslöja andra vågegenskaper som kan vara mycket användbara för framtida tillämpningar. With the help of high-speed movies taken with an X-ray microscope belonging to the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart (which is installed at the Helmholtz-Zentrum Berlin) they showed that the wavelength can be adjusted precisely by the selection of the excitation frequency. Similar measurements were also carried out at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. Vad är mer, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.