In 1991, De scheikundige Joel Miller van de Universiteit van Utah ontwikkelde de eerste magneet met op koolstof gebaseerde, of biologisch, componenten die stabiel waren bij kamertemperatuur. Het was een grote vooruitgang in magnetisme, en sindsdien verkent hij de toepassingen.

Vijfentwintig jaar later, natuurkundigen Christoph Boehme en Valy Vardeny demonstreerden een methode om kwantumgolven om te zetten in elektrische stroom. Zij ook, wisten dat ze iets belangrijks hadden ontdekt, maar kende de toepassing niet.

Nu zijn die technologieën samengekomen en zouden ze de eerste stap kunnen zijn naar een nieuwe generatie snellere, efficiëntere en flexibelere elektronica.

Samenwerken, Molenaar, Boehme, Vardeny en hun collega's hebben aangetoond dat een op organische stof gebaseerde magneet golven van kwantummechanische magnetisatie kan dragen, magnonen genoemd, en zet die golven om in elektrische signalen. Het is een doorbraak op het gebied van magnonics (elektronische systemen die magnons gebruiken in plaats van elektronen) omdat magnons eerder door anorganische materialen werden gestuurd die moeilijker te hanteren zijn.

"Naar deze organische materialen gaan, we hebben de mogelijkheid om magnonics naar een gebied te duwen dat beter beheersbaar is dan anorganische materialen, ", zegt Miller. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in Natuur materialen.

Hoe magnonics werkt

Voordat u verder gaat, laten we het hebben over wat een magnon is en hoe het in de elektronica kan worden gebruikt. Huidige elektronica gebruikt elektronen om informatie langs draden te dragen. Magnons kunnen ook informatie doorgeven via materialen, maar in plaats van uit elektronen te bestaan, magnonen zijn golven die zijn samengesteld uit een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd.

Stel je een voetbalstadion voor, vol enthousiaste fans die hun armen omhoog steken om hun team aan te moedigen. Laten we zeggen dat de richting waarin hun armen wijzen hun draairichting is. Als elke fan tegelijkertijd zijn armen in de lucht houdt, dan is de draairichting van iedereen hetzelfde en hebben ze gemaakt, in essentie, een magneet.

Nu begint de menigte "The Wave, "behalve in plaats van staan ​​en zitten, een gangpad van fans kantelt hun armen naar rechts. Het volgende gangpad pikt deze verandering in spin op en geeft het door aan de volgende rij. Het duurde niet lang, deze magneet heeft een op spin gebaseerde golf die door het stadion stroomt.

De kwantumversie van de op spin gebaseerde golf is een magnon.

"Nu heb je een manier om informatie in een materiaal uit te zenden, ", zegt natuurkundeprofessor en co-auteur Boehme. "Je kunt denken aan magnonics zoals elektronica. Je hebt circuits en als het je lukt om hier digitale logica uit te bouwen, je kunt ook computers bouwen."

We zullen, nog niet. Hoewel magnons al tientallen jaren bekend zijn bij de wetenschap, pas onlangs is hun potentieel voor bouwelektronica gerealiseerd.

Momenteel, de meeste magnonics-onderzoekers gebruiken yttrium-ijzer-granaat (YIG) als hun golfdragermateriaal. Het is duur en moeilijk te produceren, vooral als een dunne film of draad. Boehme zegt dat hij ooit overwoog om YIG in een van zijn instrumenten op te nemen en moest opgeven omdat het materiaal zo problematisch bleek om die specifieke toepassing aan te kunnen.

Het team samenstellen

Boehme en Vardeny, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, bestudeer ook het gebied van alternatieven voor elektronica, spintronica genaamd, waarvan magnonics een subveld is. In 2016 lieten ze zien hoe je het "inverse spin Hall-effect, " een manier om spingolven om te zetten in elektrische stroom.

Ze begonnen samen te werken met Miller via een door de National Science Foundation gefinancierd Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) aan de Universiteit van Utah. In 1991, Miller had het eerste magnetische materiaal geproduceerd met behulp van organische, of op koolstof gebaseerde, componenten. De drie besloten om de organische magneet van Miller te testen om te zien of deze kon worden gebruikt als alternatief voor YIG in magnonische materialen. Ze testten op elektronenspinresonantie (ESR), een maat voor hoe lang magnons in het materiaal meegaan. Hoe smaller de ESR-lijn, hoe langer de magnons leefden.

De lijn was inderdaad erg smal, zegt Vardeny. "Het is een dossier smalle lijn."

Maar werken met de organische magneet, bekend als vanadiumtetracyanoethyleen of V (TCNE) _x , bracht nog wel wat uitdagingen met zich mee. Het materiaal is zeer gevoelig voor zuurstof, verwant aan zeldzame aardmagneten. "Als het vers is gemaakt, het zal waarschijnlijk vlam vatten, ", zegt Miller. "Het zal zijn magnetisme verliezen." Het team moest de dunne films van V(TCNE) verwerken _x onder zuurstofarme omstandigheden.

Het uitvoeren van experimenten vereiste een concert van activiteit, met leden van het onderzoeksteam elk op de juiste plaats op het juiste moment om de volgende fase van het experiment voort te zetten.

"Tel het aantal auteurs op het papier, " zegt Boehme. (Er zijn er 14.) "Elke keer dat we een experiment uitvoerden, iedereen moest daar staan ​​en op tijd klaar zijn om aan dit proces deel te nemen." Het begon toen een van Millers studenten om 4 uur 's ochtends arriveerde om een ​​voorlopermateriaal te bereiden en ging twee tot drie dagen onafgebroken door terwijl onderzoeksteams het stokje van materiaal en gegevens.

Niet elke experimentele run was succesvol. Vroegtijdig, het team ontdekte dat de koperen connector die ze gebruikten om magnons om te zetten in elektriciteit met behulp van het inverse spin Hall-effect reageerde met de V (TCNE) _x en zou dus niet werken. Een omschakeling naar platinacontacten in de volgende run was succesvol.

Veelbelovende resultaten

Uiteindelijk, het team meldde dat ze in staat waren om stabiele magnonen in organische magneten te genereren en die spingolven om te zetten in elektrische signalen - een belangrijke opstap. De stabiliteit van de magnonen in de V(TCNE) _x was zo goed als die in YIG.

De onderzoekers hopen dat deze vooruitgang leidt tot meer vooruitgang in de richting van magnonics ter vervanging van elektronica, omdat magnonische systemen kleiner en sneller kunnen zijn dan de huidige systemen met minder warmteverlies en veel minder energie nodig. Conventionele elektronica werkt op een schaal van volt, zegt Boehme. Magnons werken op een schaal van millivolt, met ongeveer 1, 000 keer minder energie.

Het team hoopt vervolgens te werken aan magnonische circuits met behulp van V (TCNE) _x , en test ook andere materialen. "Er zijn veel magneten op organische basis, " zegt Boehme. "Er is geen reden om aan te nemen dat als je er willekeurig een kiest, het is noodzakelijkerwijs de beste."

Het is nog te zien, Hoewel, wat de belofte van magnonics sneller zou kunnen brengen, kleinere en efficiëntere elektronica. "We kunnen niet anticiperen, "Miller zegt, "wat we niet kunnen voorzien."