Ännu snabbare processorer med ännu mindre dimensioner? Överallt där varken elektronik eller spintronik klarar prestanda eller miniatyrisering, magnonics kommer till undsättning. Men innan det händer, forskare måste lära sig hur man exakt simulerar flödet av magnetiska vågor genom magnoniska kristaller. Vid institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow har ett viktigt steg i denna riktning just tagits.

Man kan argumentera om antalet hål i ost är relaterat till dess kvalitet eller inte. Fysiker som arbetar med magnoniska material har inte sådana dilemman:ju fler hål det finns i materialet, ju mer intressant blir dess magnetiska egenskaper, men också radikalt svårare att beskriva och modellera. I en artikel publicerad i Vetenskapliga rapporter en grupp experimentella och teoretiska fysiker från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow presenterar en ny, experimentellt verifierad modell, som för första gången, gör det möjligt att simulera lokala förändringar i magnetiska egenskaper hos magnoniska kristaller, med stor noggrannhet. Under detta exotiska namn gömmer sig tunna, flerskiktiga metallstrukturer som innehåller ett vanligt rutnät av mindre eller större, mer eller mindre sammanhängande runda hål. De Cracow-baserade analyserna tyder också på att de magnetiska fenomen som förekommer i magnoniska kristaller är mer komplexa än vad som tidigare förutspåtts.

"Flerskiktiga metallstrukturer med ett regelbundet rutnät av runda hål har först nyligen studerats - och inte utan problem. Poängen är att detta nätverk av hål dramatiskt förändrar systemets magnetiska egenskaper, särskilt sättet på vilket magnetiska vågor fortplantas i den. Fenomenen blir så komplicerade att ingen hittills kunnat beskriva eller simulera dem väl, " säger Dr Michal Krupinski (IFJ PAN).

Elektronik är bearbetning av information med hjälp av elektriska laddningar av elektroner som strömmar genom systemet. Spintronics, tippas att bli elektronikens efterföljare, använder också strömmar av elektroner, men uppmärksammar inte deras elektriska laddning, utan att snurra (med andra ord:till de magnetiska egenskaperna). Mot bakgrund av båda dessa områden, magnonics utmärker sig i grunden. Det finns inga organiserade mediaflöden i magnoniska enheter. Det som strömmar genom systemet är magnetiska vågor.

Skillnaderna mellan dessa områden är lättare att förstå genom en analogi med idrottens värld. När en stadion fylls eller töms, strömmar av människor flödar inom den. Om elektroniken fungerade här, det skulle uppmärksamma antalet människor som kommer in och lämnar arenan. Spintronics skulle också observera människors rörelser, men det skulle vara intresserad av människors rörelser med ljust eller mörkt hår. I denna analogi, magnonics skulle ta itu med flödet... av mexikanska vågor. Vågor som denna kan cirkla runt hela stadion trots att ingen fan flyttar sig bort från sin plats.

Fysikerna från Krakow producerade sina magnoniska kristaller med den metod som uppfanns av Prof. Michael Giersig från Freie Universität Berlin och utvecklad i IFJ PAN av Dr. Krupinski. Det första steget är att applicera polystyrennanopartiklar på ett icke-magnetiskt substrat (t.ex. kisel). Sfärerna är självorganiserande och kan göra detta på olika sätt beroende på förutsättningarna. Substratet täckt med organiserade sfärer utsätts sedan för verkan av plasma i en vakuumkammare, vilket gör att sfärernas diameter kan reduceras på ett kontrollerat sätt. Tunna lager av lämpliga metaller appliceras sedan på det sålunda framställda provet, en efter en. Efter att alla lager har applicerats, materialet tvättas med organiska lösningsmedel för att avlägsna sfärerna. Slutresultatet är en periodisk struktur som liknar en mer eller mindre tät sikt, permanent bunden till ett silikonsubstrat (potentiellt behöver det inte vara styvt, teamet från IFJ PAN kan också bilda liknande strukturer t.ex. på flexibla polymersubstrat).

"Systemen vi studerade bestod av 20 alternerande lager av kobolt och palladium. Dessa är mycket tunna strukturer. Deras tjocklek är bara 12 nanometer, vilket motsvarar cirka 120 atomer, " säger Dr Krupinski.

Beroende på storleken på hålen, större eller mindre områden med former som liknar en triangel bildas mellan deras kontaktpunkter. Atomer inom dessa områden kan magnetiseras på samma sätt och bildar så kallade magnetiska bubblor. Dessa bubblor kan användas för att lagra information, och förändringar i deras magnetisering möjliggör fortplantning av magnetiska vågor i systemet.

Den teoretiska modellen, byggd i IFJ PAN under ledning av Dr. Pawel Sobieszczyk, beskriver magnetiska fenomen som uppträder i kristaller med dimensionerna två gånger två mikrometer. På mikrovärldens skala, dessa dimensioner är enorma:antalet atomer är så stort att det inte längre är möjligt att simulera enskilda atomers beteende. Dock, på grund av den ömsesidiga magnetiska interaktionen, de magnetiska momenten hos intilliggande atomer är vanligtvis orienterade i nästan samma riktning. Denna observation gjorde det möjligt för atomer att grupperas i små volymer (voxels), som skulle kunna behandlas som enskilda föremål. Denna procedur reducerade radikalt modellens beräkningskomplexitet och gjorde det möjligt att utföra numeriska simuleringar, som utfördes vid Academic Computer Center Cyfronet AGH University of Science and Technology i Krakow.

"Nyckeln till framgång var idén om att införliva defekter som finns i riktiga magnoniska kristaller i modellen, " säger Dr. Sobieszczyk och räknar upp:"För det första, verkliga strukturer är aldrig perfekta kristaller. De är vanligtvis kluster av många kristaller som kallas kristalliter. Beroende på storlek och form, kristalliter kan ha olika magnetiska egenskaper. Dessutom, kemiska föroreningar kan förekomma i systemet. De gör att vissa områden av materialet förlorar sina magnetiska egenskaper. Till sist, de enskilda metallskikten kan vara tjockare eller tunnare på sina ställen. Vår modell fungerar så precis för att den tar hänsyn till alla dessa effekter."

Modellen som presenteras här förutsäger förekomsten av en intressant, hittills obemärkt fenomen. När två intilliggande bubblor magnetiseras omvänt, de magnetiska momenten hos atomerna mellan dem kan ändra sin orientering antingen genom att rotera parallellt med skiktets plan eller vinkelrätt. En sorts vägg skapas sedan mellan bubblorna, i det första fallet kallas en Bloch-vägg, i den andra — en Néel-vägg. Tills nu, man antog att endast väggar av ett slag kunde hittas i en given magnonisk kristall. Modellen som utvecklats av fysiker från IFJ PAN antyder att båda typerna av magnetiska väggar kan förekomma i samma kristall.

Magnonics har bara börjat. Vägen till komplexa processorer – mindre, snabbare, och med en logisk struktur som skulle kunna programmeras om efter behov — är det fortfarande långt kvar. Magnonic minnen och innovativa sensorer som kan detektera små mängder ämnen verkar mer realistiska. Att förstå de mekanismer som är ansvariga för magnetiska kristallers magnetiska egenskaper och hur magnetiska vågor strömmar för oss närmare dessa typer av enheter. Detta är ett viktigt steg, varefter de nästa säkert kommer.