Forskare vid Aalto-universitetet har utvecklat en ny apparat för spintronik. Resultaten har publicerats i tidskriften Naturkommunikation , och markera ett steg mot målet att använda spintronics för att göra datorchips och enheter för databehandling och kommunikationsteknik som är små och kraftfulla.

Traditionell elektronik använder elektrisk laddning för att utföra beräkningar som driver det mesta av vår dagliga teknik. Dock, ingenjörer kan inte få elektronik att göra beräkningar snabbare, eftersom rörlig laddning skapar värme, och miniatyriseringen har nått termodynamikens gränser. Eftersom elektronik inte kan göras mindre, det finns farhågor om att datorer inte kommer att kunna bli kraftfullare och billigare i samma takt som de har varit under de senaste sju decennierna. Det är här spintronics kommer in.

Spinn är en egenskap hos partiklar som elektroner på samma sätt som laddning är. Forskare är glada över att använda spin för att utföra beräkningar eftersom det undviker uppvärmningsproblemen med nuvarande datorchips. "Om du använder spinnvågor, det är överföring av spin, du flyttar inte laddningen, så att du inte skapar uppvärmning, " säger professor Sebastiaan van Dijken, som leder gruppen som skrivit tidningen.

Magnetiska material i nanoskala

Enheten som laget gjorde är en Fabry-Pérot resonator, ett välkänt verktyg inom optik för att skapa ljusstrålar med en hårt kontrollerad våglängd. Spin-wave-versionen som gjorts av forskarna i detta arbete tillåter dem att kontrollera och filtrera vågor av spinn i enheter som bara är några hundra nanometer tvärs över.

Enheterna tillverkades genom att lägga mycket tunna lager av material med exotiska magnetiska egenskaper ovanpå varandra. Detta skapade en enhet där spinnvågorna i materialet skulle fångas och avbrytas om de inte var av önskad frekvens. "Konceptet är nytt, men lätt att implementera, " förklarar Dr Huajun Qin, tidningens första författare, "Knepet är att göra material av god kvalitet, som vi har här på Aalto. Det faktum att det inte är utmanande att tillverka dessa enheter innebär att vi har massor av möjligheter till nytt spännande arbete."

Trådlös databehandling och analog beräkning

Problemen med att påskynda elektroniken går längre än överhettning; det finns också komplikationer vid trådlös överföring, eftersom trådlösa signaler måste omvandlas från sina högre frekvenser ner till frekvenser som elektroniska kretsar kan hantera. Denna omvandling saktar ner processen och kräver energi. Spin wave-chips kan arbeta vid mikrovågsfrekvenserna som används i mobiltelefoner och WiFi-signaler, vilket innebär att det finns stor potential för att de ska kunna användas i ännu snabbare och mer tillförlitliga trådlösa kommunikationstekniker i framtiden.

Vidare, spinnvågor kan användas för att göra beräkningar på ett sätt som är snabbare än elektronisk beräkning vid specifika uppgifter "Elektronisk beräkning använder "boolesk" eller binär logik för att göra beräkningar, " förklarar professor van Dijken. "Med spinnvågor, informationen bärs i vågens amplitud, vilket möjliggör mer analog-stil datoranvändning. Detta betyder att det kan vara mycket användbart för specifika uppgifter som bildbehandling eller mönsterigenkänning. Det fina med vårt system är att storleksstrukturen gör att det ska vara lätt att integrera i befintlig teknik."

Nu när teamet har resonatorn för att filtrera och kontrollera spinnvågorna, nästa steg är att göra en komplett krets för dem. "För att bygga en magnetisk krets, vi måste kunna styra spinnvågorna mot funktionella komponenter, som hur ledande elektriska kanaler gör på elektroniska mikrochips. Vi tittar på att göra liknande strukturer för att styra spinnvågor, " förklarar Dr. Qin.