Forskare vid EPFL har visat att elektromagnetiska vågor kopplade till exakt konstruerade strukturer kända som konstgjorda ferromagnetiska kvasikristaller möjliggör effektivare informationsöverföring och bearbetning på nanoskala. Deras forskning representerar också den första praktiska demonstrationen av Conway-maskar, ett teoretiskt begrepp för beskrivning av kvasikristaller.

Högfrekventa elektromagnetiska vågor används för att överföra och bearbeta information i mikroelektroniska enheter som smartphones. Det är redan insett att dessa vågor kan komprimeras med hjälp av magnetiska oscillationer som kallas spinnvågor eller magnoner. Denna komprimering kan bana väg för design av nanoskala, multifunktionella mikrovågsapparater med avsevärt reducerat fotavtryck. Men först, forskare måste få en bättre förståelse av spinnvågor - eller exakt hur magnoner beter sig och sprider sig i olika strukturer.

Lär dig mer om aperiodiska strukturer

I en studie utförd av doktorsassistenten Sho Watanabe, postdoktor Dr Vinayak Bhat, och ytterligare teammedlemmar, forskarna från EPFL:s Laboratory of Nanoscale Magnetic Materials and Magnonics (LMGN) undersökte hur elektromagnetiska vågor utbreder sig, och hur de skulle kunna manipuleras, i exakt konstruerade nanostrukturer kända som konstgjorda ferromagnetiska kvasikristaller. Kvasikristallerna har en unik egenskap:deras struktur är aperiodisk, vilket betyder att deras ingående atomer eller skräddarsydda element inte följer en regelbunden, upprepande mönster men är fortfarande ordnade deterministiskt. Även om denna egenskap gör material särskilt användbara för design av vardagliga och högteknologiska enheter, det är fortfarande dåligt uppfattat.

Snabbare, lättare överföring av information

LMGN-teamet fann att, under kontrollerade förhållanden, en enda elektromagnetisk våg kopplad till en konstgjord kvasikristall delar sig i flera spinnvågor, som sedan förökar sig inom strukturen. Var och en av dessa spinnvågor representerar en annan fas av den ursprungliga elektromagnetiska vågen, bära med sig olika uppgifter. "Det är en mycket intressant upptäckt, eftersom befintliga informationsöverföringsmetoder följer samma princip, säger Dirk Grundler, en docent vid EPFL:s School of Engineering (STI). "Förutom att du behöver en extra enhet, en multiplexer, att dela insignalen eftersom den – till skillnad från vår studie – inte delar sig av sig själv."

Grundler förklarar också att i konventionella system, informationen i varje våg kan bara läsas vid olika frekvenser – en annan olägenhet som EPFL-teamet övervann i sin studie. "I våra tvådimensionella kvasikristaller, alla vågor kan läsas med samma frekvens, " tillägger han. Fynden har publicerats i tidskriften Avancerade funktionella material .

Vågor som sprider sig som maskar

Forskarna observerade också att, snarare än att spridas slumpmässigt, vågorna rörde sig ofta som så kallade Conway-maskar, uppkallad efter en välkänd matematiker John Horton Conway som också utvecklade en modell för att beskriva förhistoriska maskars beteende och matningsmönster. Conway upptäckte att inom tvådimensionella kvasikristaller, beståndsdelar ordnar som slingrande maskar efter en Fibonacci -sekvens. Därigenom bildar de utvalda endimensionella kvasikristaller. "Vår studie representerar den första praktiska demonstrationen av detta teoretiska koncept, bevisar att sekvenserna inducerar intressanta funktionella egenskaper hos vågor i en kvasikristall, säger Grundler.