Magnetism erbjuder nya sätt att skapa mer kraftfulla och energieffektiva datorer, men förverkligandet av magnetisk beräkning på nanoskala är en utmanande uppgift. Ett avgörande framsteg inom området för ultralåg effektberäkning med hjälp av magnetiska vågor rapporteras av ett gemensamt team från Kaiserslautern, Jena och Wien i journalen Nanobokstäver .

En lokal störning i en magnets magnetiska ordning kan fortplanta sig över ett material i form av en våg. Dessa vågor är kända som spinnvågor och deras associerade kvasipartiklar kallas magnoner. Forskare från Technische Universität Kaiserslautern, Innovent e.V. Jena och universitetet i Wien är kända för sin expertis inom forskningsfältet som kallas "magnonics, som använder magnoner för utveckling av nya typer av datorer, potentiellt komplement till de konventionella elektronbaserade processorer som används idag.

"En ny generation av datorer som använder magnoner skulle kunna vara kraftfullare och framför allt, förbrukar mindre energi. En viktig förutsättning är att vi kan tillverka, så kallade single-mode vågledare, som gör det möjligt för oss att använda avancerade vågbaserade signalbehandlingsscheman, " säger juniorprofessor Philipp Pirro, en av de ledande forskarna i projektet. "Detta kräver att storleken på våra strukturer skjuts in i nanometerintervallet. Utvecklingen av sådana ledningar öppnar, till exempel, en tillgång till utvecklingen av neuromorfa datorsystem inspirerade av funktionaliteterna i den mänskliga hjärnan."

Dock, nedskalningen av magnonteknologi till nanoskalan är utmanande:"Ett mycket lovande material för magnoniska applikationer är Yttrium Iron Garnet (YIG). YIG är ett slags "ädelt magnetiskt material" eftersom magnoner lever i det ungefär hundra gånger längre än i andra material , " säger professor Andrii Chumak vid universitetet i Wien, projektledaren. "Men allt har sitt pris:YIG är väldigt komplext och svårt att hantera om man försöker göra små strukturer av det. Det är därför YIG-strukturer hade millimeterstorlekar i årtionden, och först nu har vi lyckats gå ner till 50 nanometer, vilket är runt 100, 000 gånger mindre."

För detta, en speciell ny teknik utvecklades vid Nano Structuring Center vid Technische Universität Kaiserslautern med hjälp av YIG-filmer odlade av samarbetspartnern Dr. Carsten Dubs från Innovent e.V. från Jena. Ett tunt metallskikt, kallas en mask, är tillverkad ovanpå YIG, lämnar större delen av filmen exponerad. Sedan bombarderas provet av ett kraftfullt flöde av argonjoner, som tar bort de oskyddade delarna av YIG, medan materialet under masken förblir orört. Efteråt, den metalliska masken tas bort, avslöjar en 50 nm tunn remsa av den färdiga YIG.

"Avgörande för framgången med hela processen var att hitta rätt material för masken, för att ta reda på vad som bör vara dess tjocklek och för att ställa in tiotals olika parametrar för att spara egenskaperna hos YIG, säger Björn Heinz, tidningens huvudförfattare. "Efter flera års utredningar, vi hittade äntligen det vi letade efter i kombinationen av krom- och titanskikt."

YIG-strukturens bredd är ungefär tusen gånger mindre än tjockleken på ett människohår. Efter den framgångsrika struktureringen, forskarna fortsatte att studera utbredningen av magnoner för att utvärdera om YIG-strukturerna i nanostorlek behöll YIG-filmernas överlägsna materialegenskaper.

"Vi kunde visa att struktureringsprocessen endast hade en mindre inverkan på de fantastiska egenskaperna hos detta material, " säger Heinz. "Dessutom, vi kunde bevisa experimentellt att magnoner effektivt kan bära information över långa avstånd i ledningarna som förutspåddes teoretiskt tidigare. Dessa resultat är en betydande milstolpe i utvecklingen av magnoniska kretsar och bevisar den allmänna genomförbarheten av magnonbaserad databehandling."