Vanwege het potentieel om computers sneller en smartphones efficiënter te maken, spintronica wordt beschouwd als een veelbelovend concept voor de toekomst van elektronica. In een samenwerking met het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), een team van onderzoekers heeft nu veel gemakkelijker en efficiënter zogenaamde spingolven gegenereerd dan eerder mogelijk werd geacht. De onderzoekers presenteren hun resultaten in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Moderne computerchips zijn gebaseerd op het transporteren van elektrische ladingen. Elke verwerkingsgebeurtenis veroorzaakt een elektronenstroom in een elektronische component. Deze elektronen ondervinden weerstand, die ongewenste warmte genereert. Hoe kleiner de structuren op een chip, hoe moeilijker het is om de warmte af te voeren. Deze op kosten gebaseerde architectuur is ook gedeeltelijk de reden waarom de kloksnelheden van de processors in jaren geen significante stijgingen hebben gezien. De gestage ontwikkelingscurve van chipprestaties en snelheid wordt nu vlakker. "Bestaande concepten lopen tegen hun grenzen aan, " legt Dr. Sebastian Wintz van het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research bij HZDR uit. "Daarom werken we aan een nieuwe strategie, de spingolven."

Deze aanpak omvat niet langer transportkosten, maar draagt ​​alleen het intrinsieke impulsmoment (spin) van de elektronen over in een magnetisch materiaal. De elektronen zelf blijven stationair, terwijl alleen hun spins veranderen. Omdat de spins van naburige elektronen elkaar waarnemen, een verandering in één draai kan naar zijn buren reizen. Het resultaat is een magnetisch signaal dat als een golf door het materiaal gaat - een spingolf. Het voordeel van spin-aangedreven componenten is dat ze heel weinig warmte zouden genereren, wat betekent dat ze mogelijk aanzienlijk minder energie verbruiken - en dit is van groot belang voor mobiele apparaten zoals smartphones. Het kan ook mogelijk zijn om componenten voor bepaalde toepassingen verder te miniaturiseren, omdat spingolven veel kortere golflengten hebben dan vergelijkbare elektromagnetische signalen, bijvoorbeeld in mobiele communicatie. Dit betekent dat we meer circuits op een chip zouden kunnen passen dan we nu kunnen.

Een spingolf roeren met een magneetvortex

Voordat we dit allemaal kunnen doen, we hebben eerst veel meer fundamenteel onderzoek nodig. Bijvoorbeeld, we moeten weten hoe we efficiënt spingolven kunnen genereren. Experts proberen dit al een tijdje uit te werken, het bevestigen van metalen strips ter grootte van een micrometer op dunne magnetische lagen. Een wisselstroom die door deze strip loopt, creëert een magnetisch veld dat beperkt is tot een zeer kleine ruimte. Dit veld zal dan een spingolf opwekken in de magnetische laag. Maar deze methode heeft één nadeel:het is moeilijk om de golflengte van de gegenereerde spingolven kleiner te maken dan de breedte van de metalen strip - wat ongunstig is voor de ontwikkeling van sterk geïntegreerde componenten met structuren van nanometergrootte.

Maar er is een alternatief:een magnetisch materiaal gevormd tot cirkelvormige schijven roept de vorming van magnetische wervels op waarvan de kernen niet meer dan ongeveer tien nanometer meten. Een magnetisch veld kan deze vortexkern dan laten oscilleren, die een spingolf in de laag triggert. "Een tijdje geleden, we hadden relatief complexe meerlagige materialen nodig om dit mogelijk te maken, "Wintz meldt. "Nu zijn we erin geslaagd om spingolven uit vortexkernen in een heel eenvoudig materiaal uit te zenden." Ze gebruiken een gemakkelijk te vervaardigen nikkel-ijzerlegeringslaag van ongeveer 100 nanometer dik.

Onverwacht korte golflengten

Wat opmerkelijk is, is de golflengte van de gegenereerde spingolven - slechts 80 nanometer. "De expertgemeenschap was verrast dat we dit in zo'n eenvoudig materiaal deden, " zegt dr. Georg Dieterle, die het fenomeen onderzocht in zijn Ph.D. scriptie bij MPI-IS. "We hadden ook niet verwacht dat we zulke korte golven zouden kunnen genereren bij frequenties in het lagere gigahertz-bereik." Experts denken dat de reden voor de korte golflengten ligt in de manier waarop ze reizen. Dicht bij het midden van de dwarsdoorsnede van de nikkel-ijzerlaag, de spingolf vormt een soort "knoop", waarbinnen de magnetische richting alleen op en neer oscilleert in plaats van langs zijn gewoonlijk cirkelvormige baan.

Om deze verschijnselen zichtbaar te maken, het team gebruikte een speciale röntgenmicroscoop bij de elektronenopslagring BESSY II in het Helmholtz Zentrum Berlin. "Dit is de enige plek op aarde die in deze combinatie de nodige ruimte- en tijdresoluties biedt, " benadrukt prof. Gisela Schütz, directeur bij MPI-IS. "Zonder deze microscoop, we zouden deze effecten niet hebben kunnen waarnemen." Nu hopen de experts dat hun resultaten de ontwikkeling van spintronica verder zullen helpen. "Onze vortexkernen zouden dat wel kunnen, bijvoorbeeld, dienen als een lokale, goed beheersbare bron om de onderliggende fenomenen te verkennen en nieuwe concepten te ontwikkelen met op spin-golf gebaseerde componenten, Dieterle zegt. "De spingolven die we hebben waargenomen, kunnen in de toekomst relevant zijn voor sterk geïntegreerde schakelingen."