Het succesverhaal van informatieverwerking door middel van bewegende elektronen komt langzaam tot een einde. De trend naar steeds compactere chips vormt een grote uitdaging voor fabrikanten, omdat de toenemende miniaturisering voor deels onoplosbare fysieke problemen zorgt. Daarom zouden magnetische spingolven de toekomst kunnen zijn:ze zijn sneller dan elektronische ladingsdragers en verbruiken minder stroom. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en TU Dresden hebben een methode ontwikkeld om de verspreiding van deze informatiedragers op nanoniveau gericht en eenvoudig te sturen; tot dusver, dit vergde veel kracht. Zo hebben ze een basis gelegd voor nanocircuits die gebruik maken van spingolven.

"Onze huidige informatieverwerking is gebaseerd op elektronen, " legt Dr. Helmut Schultheiß van het HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research uit. "Deze geladen deeltjes stromen door de draden, elektrische stromen creëren. Maar tijdens het proces botsen ze met atomen en verliezen ze energie, die in de vorm van warmte in het kristalrooster ontsnapt. Dit betekent dat chips steeds warmer worden, hoe dichter de elementen erop zijn gegroepeerd. Uiteindelijk falen ze, omdat de warmte niet meer kan worden getransporteerd." Dit is de reden waarom Schultheiß, hoofd van een Emmy Noether Junior Research Group, streeft een andere benadering na:informatietransport via spingolven, ook wel magnonen genoemd.

Het magnetische moment van elektronen

Spin is de term die wetenschappers gebruiken om het impulsmoment te beschrijven van elektronen die om hun eigen as draaien. Het zorgt ervoor dat de elektrische deeltjes zich gedragen als extreem kleine magneten. Dit is de reden waarom ze op een parallelle manier uitgelijnd zijn in ferromagnetische materialen. "Als men een spin in een andere richting leidt, dit zal ook een impact hebben op de naburige spins, Schultheiß legt uit. "Hierdoor ontstaat een spingolf die door het vaste lichaam reist. Het kan worden gebruikt om informatie te transporteren en te verwerken, net als stromende ladingsdragers." de elektronen zelf bewegen in dit geval niet. "Ze botsen nergens op en genereren dus nauwelijks warmte."

Maar om te zegevieren in de race om toekomstige informatieverwerkingsmethoden, Er zijn systemen nodig die het mogelijk maken om de voortplanting van spingolven op nanoniveau te regelen. "Tot dusver, benaderingen van een oplossing waren gebaseerd op geometrisch vooraf gedefinieerde geleiderpaden of op het permanente gebruik van externe magnetische velden, " zegt Schultheiß, de huidige stand van het onderzoek uitleggen. "In het geval van de eerste oplossing, het voortplantingspad kan niet worden gewijzigd; dit is echter noodzakelijk voor de ontwikkeling van flexibele schakelingen. De tweede methode lost dat probleem op, maar tegen de prijs van een enorme toename van het stroomverbruik."

Gecontroleerd voortplantingspad

De wetenschappers hebben met succes een nieuwe procedure ontwikkeld voor het gericht sturen van spingolven door gebruik te maken van magnetische basiskenmerken:remanentie, dat is, het resterende magnetisme dat een vast lichaam behoudt na het verwijderen van een magnetisch veld, en de vorming van zogenaamde domeinmuren. "Deze term geeft het gebied in vaste lichamen aan waar verschillend uitgelijnde magnetische domeinen elkaar ontmoeten, " legt Schultheiß uit. De HZDR-onderzoekers creëerden zo'n domeinwand in een nanostructuur van een nikkel-ijzerlegering in een experiment. Vervolgens veroorzaakten ze een spingolf met behulp van microgolven. Zoals hun tests hebben aangetoond, de spingolven van een bepaalde frequentie kwamen vast te zitten in de domeinmuur, omdat de verschillende magnetische domeinen als barrières werken. "In zekere zin je zou kunnen zeggen dat we een weg hebben gemaakt met een vangrail waarlangs de spingolven zich gecontroleerd voortbewegen, " Schultheiß beschrijft vrolijk het resultaat.

Echter, de natuurkundigen uit Dresden konden weer een succes vieren. Ze manipuleerden de loop van de domeinmuur door middel van kleine externe magnetische velden van ver onder een millitesla, ongeveer honderd keer zwakker dan een commerciële hoefijzermagneet. Daarbij, ze manipuleerden eveneens de voortplanting van de spingolven. "Dit zou de basis kunnen zijn voor een ontwerp van herconfigureerbare nanocircuits die gebruik maken van magnons, " Schultheiß zegt, de opties op maat maken. Toch, de onderzoeker denkt dat er waarschijnlijk meerdere jaren zullen verstrijken voordat de aanvraag wordt ingediend. "We bevinden ons nog in de fase van fundamenteel onderzoek. onze resultaten laten zien dat we goed bezig zijn."