Forskare vid University of California, Riverside, har använt en syntetisk antiferromagnet i nanoskala för att kontrollera interaktionen mellan magnoner – forskning som kan leda till snabbare och mer energieffektiva datorer.

I ferromagneter, elektronsnurr pekar i samma riktning. För att göra framtida datorteknik snabbare och mer energieffektiv, spintronikforskning använder spindynamik – fluktuationer i elektronsnurrarna – för att bearbeta information. Magnons, de kvantmekaniska enheterna för spinnfluktuationer, interagera med varandra, leder till icke-linjära egenskaper hos spindynamiken. Sådana olinjäriteter spelar en central roll i magnetiskt minne, rotationsmomentoscillatorer, och många andra spintroniska applikationer.

Till exempel, i det framväxande fältet av magnetiska neuromorfa nätverk - en teknik som efterliknar hjärnan - är olinjäriteter avgörande för att ställa in svaret hos magnetiska neuroner. Också, inom ett annat spetsforskningsområde, olinjär spindynamik kan bli instrumentell.

"Vi förutser att begreppen kvantinformation och spintronik kommer att konsolideras i hybridkvantsystem, sade Igor Barsukov, en biträdande professor vid institutionen för fysik &astronomi som lett studien som förekommer i Tillämpade material och gränssnitt . "Vi måste kontrollera olinjär spindynamik på kvantnivå för att uppnå deras funktionalitet."

Barsukov förklarade att i nanomagneter, som fungerar som byggstenar för många spintroniska teknologier, magnoner visar kvantiserade energinivåer. Interaktion mellan magnonerna följer vissa symmetriregler. Forskargruppen lärde sig att konstruera magnon-interaktionen och identifierade två tillvägagångssätt för att uppnå olinjäritet:bryta symmetrin i nanomagnetens spinnkonfiguration; och modifiering av magnonernas symmetri. De valde den andra metoden.

"Att modifiera magnonsymmetri är det mer utmanande men också mer applikationsvänliga tillvägagångssättet, sade Arezoo Etesamirad, den första författaren till forskningsartikeln och en doktorand i Barsukovs labb.

I sitt tillvägagångssätt, forskarna utsatte en nanomagnet för ett magnetfält som visade ojämnhet på karakteristiska nanometerlängdsskalor. Detta olikformiga magnetfält i nanoskala i sig måste härröra från ett annat föremål i nanoskala.

För en källa till ett sådant magnetfält, forskarna använde en syntetisk antiferromagnet i nanoskala, eller SAF, bestående av två ferromagnetiska lager med antiparallell spinnorientering. I sitt normala tillstånd, SAF genererar nästan inget ströfält – magnetfältet som omger SAF, som är väldigt liten. När den väl genomgår den så kallade spin-flop-övergången, snurren blir snedställda och SAF genererar ett ströfält med olikformighet i nanoskala, efter behov. Forskarna växlade SAF mellan normalt tillstånd och spin-flop tillstånd på ett kontrollerat sätt för att slå på och av det symmetribrytande fältet.

"Vi kunde manipulera magnons interaktionskoefficient med minst en storleksordning, " Sa Etesamirad. "Detta är ett mycket lovande resultat, som skulle kunna användas för att konstruera koherent magnonkoppling i kvantinformationssystem, skapa dissipativa tillstånd i magnetiska neuromorfa nätverk, och kontrollera stora exciteringsregimer i spinn-vridmomentenheter."