Under de senaste åren har elektronisk databehandling har bara utvecklats i en riktning:Branschen har minskat sina komponenter till nanometerintervallet. Men denna process når nu sina fysiska gränser. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) utforskar därför spinnvågor, eller så kallade magnoner-ett lovande alternativ för att transportera information i mer kompakta mikrochips. Samarbetar med internationella partner, de har framgångsrikt genererat och kontrollerat extremt korta våglängds spinnvågor. Fysikerna uppnådde denna bedrift genom att utnyttja ett naturligt magnetiskt fenomen, som de förklarar i tidningen Naturnanoteknik .

Under en lång tid, Det har funnits en tillförlitlig tumregel i informationsteknikens värld:Antalet transistorer på en mikroprocessor fördubblas ungefär vartannat år. Den resulterande prestationshöjningen gav oss de digitala möjligheter som vi nu tar för givet, från höghastighetsinternet till smarttelefonen. Men när ledarna på chipet blir allt mer minut, vi börjar möta problem, som Dr Sebastian Wintz från HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research förklarar:"Elektronerna som flödar genom våra moderna mikroprocessorer värmer upp chipet på grund av elektrisk motstånd. Bortom en viss punkt, chipsen misslyckas helt enkelt eftersom värmen inte längre kan släppa ut. "Detta förhindrar också en ytterligare ökning av komponenternas hastighet.

Det är därför fysikern, som också arbetar för närvarande vid Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, föreställer sig en annan framtid för informationsbärare. Istället för elektriska strömmar, Wintz och hans kollegor drar nytta av en specifik egenskap hos elektroner som kallas spin. De små partiklarna beter sig som om de ständigt roterar runt sin egen axel, vilket skapar ett magnetiskt ögonblick. I vissa magnetiska material, som järn eller nickel, snurren är vanligtvis parallella med varandra. Om orienteringen av dessa snurr ändras på ett ställe, att störningar rör sig till de närliggande partiklarna, utlöser en snurrvåg som kan användas för att koda och distribuera information. "I detta scenario, elektronerna förblir där de är, "säger Wintz, beskriver deras fördel. "De genererar knappt någon värme, vilket innebär att spinnbaserade komponenter kan kräva mycket mindre energi. "

Hur kan vi styra vågen?

Än så länge, dock, det har funnits två grundläggande utmaningar som komplicerat användningen av spinnvågor:De våglängder som kan genereras är inte tillräckligt korta för de nanometerstora strukturerna på chipsen, och det finns inget sätt att kontrollera vågorna. Sebastian Wintz och hans medarbetare har nu kunnat hitta lösningar på båda problemen. "Till skillnad från de konstgjorda antennerna som vanligtvis används för att excitera vågorna, vi använder nu en som är naturligt bildad inuti materialet, "författaren Dr Volker Sluka förklarar." För detta ändamål, vi tillverkade mikroelement bestående av två ferromagnetiska skivor som är kopplade antiferromagnetiskt via en Ruthenium-distans. Vidare, vi valde skivornas material så att snurrarna föredrar att rikta in sig längs en viss axel i rymden, vilket resulterar i det önskade magnetmönstret. "

Inom de två lagren, detta skapar områden med olika magnetisering åtskilda av vad som kallas en domänvägg. Forskarna exponerade sedan skikten för magnetfält alternerande med en frekvens av en gigahertz eller högre. Med hjälp av ett röntgenmikroskop från Max Planck Institute for Intelligent Systems Stuttgart, som drivs på Helmholtz-Zentrum Berlin, de kunde observera att spinnvågor med parallella vågfronter rör sig längs riktningen vinkelrätt mot domänväggen. "I tidigare experiment har vågens krusningar såg ut som de du får när en sten går mot en vattenyta, "Sluka rapporterar." Det här är inte optimalt, eftersom svängningen försvinner snabbt när vågen sprider sig i alla riktningar. För att stanna i samma analogi, vågorna ser nu ut som om de producerats av en lång stav som rör sig fram och tillbaka i vattnet. "

Som röntgenbilderna har visat, dessa spinnvågor kan färdas flera mikrometer vid våglängder på endast cirka 100 nanometer, utan någon signifikant förlust av signal - en nödvändig förutsättning för att kunna använda dem i modern informationsteknik. Dessutom, fysikerna har upptäckt ett möjligt sätt att styra denna nya informationsbärare när de sätter stimuleringsfrekvensen under en halv gigahertz. Spinnvågorna förblev därmed instängda i domänväggen:"I detta scenario, vågorna kunde till och med springa i en kurva, säger Volker Sluka, tillägger:"Ändå kunde vi fortfarande upptäcka signalerna." Med sina resultat, forskarna har lagt viktiga grunder för den vidare utvecklingen av spinnvågbaserade kretsar.

I det långa loppet, detta kan underlätta en helt ny design av mikroprocessorer, Sebastian Wintz förutspår:"Med hjälp av magnetfält, vi kan flytta domänväggar relativt enkelt. Det betyder att chips som fungerar med spinnvågor inte nödvändigtvis behöver en fördefinierad arkitektur, men de kan senare ändras och anpassas för att uppfylla nya uppgifter. "