Informationsbehandlingstekniker som vanligtvis är baserade på elektronladdningar kan också teoretiskt utnyttja det elektriska spinnet. Magnon spintronics kan utnyttja kvantiserade spinnvågor, magnoner, som bärare av spinnströmmar i integrerade magnoniska kretsar. Vågkaraktären och joule-uppvärmningsfria utbredning av spinnvågor är en lovande kombination för att konstruera högeffektiva datorplattformar med integrerade magnoniska kretsar. Även om det är avgörande, förverkligandet av nanoskala kretsar är extremt utmanande på grund av svårigheten att skräddarsy nanoskopiska magnetiska egenskaper med hjälp av befintliga, konventionella tekniker. Magnonics är därför ett ungt forskningsfält i skärningspunkten mellan studiet av spindynamik och vetenskap och teknik i nanoskala.

I en nyligen genomförd studie, nu publicerad i Naturkommunikationsfysik , multidisciplinära fysiker i USA och Europa utvecklade i samarbete nanoskala, omkonfigurerbar, spinnvågskretsar som använder mönstrade spinnstrukturer. I arbetet, Edoardo Albisetti och medarbetare visualiserade och kanaliserade de fortplantande spinnvågorna i godtyckliga nanomagniska vågledare med hjälp av rums- och tidsupplöst scanningsöverföringsröntgenmikroskopiavbildning (STXM), utan yttre magnetfält eller strömmar. Dessutom, fysikerna demonstrerade en prototypisk krets baserad på två konvergerande nanovågledare för att möjliggöra avstämbar rumslig superposition och interferens av begränsade spinnvågslägen. Arbetet lägger grunden för att använda konstruerade spinntexturer som byggstenar för spinnvågsbaserade datorenheter.

Spin-wave-manipulation är ett lovande alternativ till konventionell elektronik för att utveckla energieffektiva datorplattformar, med många koncept som föreslagits under de senaste åren för att förverkliga konceptet, från dipolutbytesspinnvågor i begränsad geometri till spinnomloppsbaserade spinnvågfibrer. En stor utmaning som har hindrat förverkligandet av spinnvågskretsar i nanoskala är effektiv kanalisering och styrning av spinnvågor, hittills endast integrerat i mikronstora element via externa fält, eller genom att använda arrayer av nanomagneter. På vägen till nanomagnonics, det är mycket tilltalande att överväga användningen av spinnstrukturer i nanoskala för att kontrollera utbredningen av spinnvågor, även om konventionella metoder har hindrat sådana ansträngningar baserade på domänväggar (vid vilka magnetiska dipoler eller spinn omorienterar sig). Dessutom, förmågan att styra spinntexturer för att kontrollera spinnvågor i en spinnvågskrets i nanoskala har också förblivit svårfångad. Dessutom, de begränsade dimensionerna av sådana spinnvågslägen återstår att observera och undersöka i detalj.

Albesetti et al. demonstrerade de grundläggande byggstenarna i spinnvågskretsar med hjälp av godtyckligt formade magnoniska nanovågledare och prototypiska spinnvågskretsar. Uppställningen möjliggjorde avstämbar överlagring av signaler som fortplantade sig i två konvergerande vågledare genom att mönstra spinnstrukturen hos en ferromagnetisk tunn film med användning av en tidigare etablerad teknik för termiskt assisterad magnetisk skanningssondlitografi (tam-SPL). Frånvaron av fysisk mönstring och reversibilitet av tam-SPL-tekniken möjliggjorde helt omkonfigurerbara nanomagnetiska strukturer baserade på spinnstrukturer med konstruerad funktionalitet. Direkta bevis gavs via observationer gjorda med rums- och tidsupplöst STXM på kanalisering och styrning av lokaliserade spinnvågslägen som utbreder sig inom raka och krökta domänväggbaserade vågledare, utan ett externt magnetfält.

Författarna mönstrade olika spinnstrukturer i ett utbytesförspänningsferromagnetiskt/antiferromagnetiskt dubbelskikt genom att svepa en uppvärmd skanningssond med tam-SPL. Processen satte styrkan och riktningen för enkelriktad magnetisk anisotropi i den ferromagnetiska filmen, möjliggör nanomönster av konstruerade spin-konfigurationer. Genom att kontrollera geometrin för området som skannas av spetsen, raka och krökta domänväggar erhölls. De mönstrade spinntexturerna och lokaliserade spinnvågslägen karakteriserades med STXM. En mikrostripantenn användes för spinnvågsexcitationen som fortplantades fritt längs väggen, i lägen som kallas vintermagnoner.

Därefter, högar av Co ₄₀ Fe ₄₀ B ₂₀ (20 nm), Ir ₂₂ Mn ₇₈ (10 nm) och Ru (2 nm) avsattes på 200 nm tjock Si ₃ N ₄ membran via DC-magnetronförstoftning genom att applicera ett 30 mT magnetfält för att tillverka vågledarna. Mikrostripantenner (2 µm x 30 µm) tillverkades i anordningen med användning av optisk litografi. Det konstruerade utbytesförspänningsflerskiktet avbildades optiskt för att visualisera orienteringen av den mönstrade domänväggen med avseende på antennen. Statiska STXM-bilder visade spinnstrukturer mönstrade via tam-SPL, följt av motsvarande mikromagnetiska simuleringar.

Forskarna använde tidsupplöst transmissionsröntgenmikroskopi vid polLux (X07DA) ändstationen av den schweiziska ljuskällan för att få tidsberoende magnetisk konfiguration av proverna. Med hjälp av tekniken, spinnvågor avbildades stroboskopiskt med en punktupplösning mellan 40 – 75 nm; resultat för böjda och raka väggar rapporterades. Gaussisk filtrering användes för att förbättra kontrasten med en excitationsfrekvens (1,28 GHz) utan ett externt statiskt magnetfält. Spinnvågorna begränsade vid domänväggen fortplantade sig bort från antennen som var placerad längst ner på panelerna.

spinnvågor som fortplantade sig längs en krökt bana observerades därefter vid en excitationsfrekvens på 1,11 GHz. spinnvågor begränsades till de mönstrade väggarna och detekterades upp till 2 µm från antennen. Författarna rapporterade också om längre utbredningsavstånd längs en krökt domänvägg som kan detekteras upp till 3,5 µm från mikrostripantennen.

I studien, mikromagnetiska simuleringar utfördes genom att lösa Landua-Lishitz-Gilberts rörelseekvation integrerad i programvaran MuMax3 med öppen källkod. Simuleringarna överensstämde väl med de experimentella resultaten för att bekräfta excitationernas fortplantningskaraktär. Demonstration av fortplantningskaraktären och den positiva spridningen bekräftade möjligheten att använda sådana guidade lägen för att transportera information inom integrerade nanomagniska kretsar. Vågledare som kan styra och manipulera begränsade spin-lägen utgör grundläggande byggstenar för att realisera nanomagniska enheter. Författarna visade därefter en nanomagnonic krets som möjliggjorde avstämbar rumslig superposition och interferens av de guidade spinnvågslägena som fortplantade sig i två konvergerande vågledare.

Med hjälp av STXM-bilder visade författarna en spinnstruktur bestående av två domänväggar som kunde kontrolleras via applicering av ett litet statiskt magnetfält från 2 mT – 1,68 mT. Systemet karakteriserades omfattande för att förutse kontrollen av superpositionen och andra egenskaper hos de guidade lägena via externa stimuli för att föreställa sig implementeringen av logiska funktioner i spinntexturbaserade enheter; som tidigare endast projicerats med konceptet spin wave interferometrar.

I det här arbetet, författarna konstruerade en prototypisk nanomagnonisk krets som möjliggjorde avstämbar rumslig superposition av signaler som fortplantade sig i två konvergerande vågledare. Utsikten att utveckla en omkonfigurerbar krets i nanoskala var en långvarig experimentell utmaning. Arbetet visade att konstruerade spinnstrukturer var en kraftfull, mångsidigt verktyg som möjliggjorde experimentell utveckling av nanokretsar. Forskningen markerar en grundläggande övergång i det experimentella framstegen mot integrerade nanomagniska datorenheter.

© 2018 Phys.org