Kleiner, sneller, energiezuiniger – dit is het doel waar ontwikkelaars van elektronische apparaten al jaren naar streven. Om individuele componenten van bijvoorbeeld mobiele telefoons of computers te kunnen miniaturiseren, magnetische golven worden momenteel beschouwd als veelbelovende alternatieven voor het conventionele functioneren van datatransmissie door middel van elektrische stromen. De reden:naarmate chips kleiner en kleiner worden, elektrische datatransmissie bereikt op een gegeven moment zijn grenzen, omdat elektronen die heel dicht bij elkaar liggen veel warmte afgeven, wat kan leiden tot verstoring van fysieke processen.

Hoogfrequente magnetische golven, daarentegen, kan zich zelfs in de kleinste nanostructuren voortplanten en zo informatie doorgeven en verwerken. De fysieke basis hiervoor is de zogenaamde spin van elektronen in het magnetische materiaal, die kan worden vereenvoudigd als een rotatie van het elektron om zijn eigen as. Echter, spingolven in micro-elektronica hebben tot nu toe slechts beperkt nut gehad, door de zogenaamde demping, die inwerkt op de spingolven en deze verzwakt.

Natuurkundigen van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben nu een nieuwe aanpak ontwikkeld die ongewenste demping elimineert en het gebruik van spingolven gemakkelijker maakt. "Onze resultaten laten een nieuwe manier zien voor de toepassing van efficiënte spin-aangedreven componenten, " zegt Dr. Vladislav Demidov, het hoofd van de opleiding (Instituut voor Technische Natuurkunde, Onderzoeksgroep Demokritov). De nieuwe aanpak kan relevant zijn voor toekomstige ontwikkelingen in de micro-elektronica, maar ook voor verder onderzoek naar kwantumtechnologieën en nieuwe computerprocessen. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Achtergrond en werkwijze:

Magnonics is de naam van het onderzoeksveld waarin wetenschappers elektronenspins en hun golven in magnetische materialen bestuderen. De term is afgeleid van de deeltjes van magnetisme, die magnonen worden genoemd, overeenkomend met spingolven.

De beste manier om de storende demping van spingolven elektronisch te compenseren is het zogenaamde spin Hall-effect, die een paar jaar geleden werd ontdekt. De elektronen in een spinstroom worden zijwaarts afgebogen, afhankelijk van de oriëntatie van hun spin, die het mogelijk maakt om op efficiënte wijze spingolven op te wekken en te controleren in magnetische nano-apparaten. Echter, zogenaamde niet-lineaire effecten in de oscillaties leiden ertoe dat het spin Hall-effect niet goed werkt in praktische toepassingen - een reden waarom wetenschappers nog geen dempingsvrije spingolven hebben kunnen realiseren.

In hun experiment hebben de wetenschappers plaatsten magnetische schijven van permalloy of kobalt en nikkel, slechts een paar nanometer dik, op een dun laagje platina. Zogenaamde magnetische anisotropieën werkten in op de grensvlakken van de verschillende materialen, wat betekent dat de magnetisatie in een bepaalde richting plaatsvond. Door de anisotropieën van de verschillende lagen in evenwicht te brengen, de onderzoekers waren in staat om de ongunstige niet-lineaire demping efficiënt te onderdrukken en zo coherente spingolven te bereiken - d.w.z. golven waarvan de frequentie en golfvorm hetzelfde zijn en die daarom een ​​vast faseverschil hebben. Hierdoor konden de wetenschappers volledige dempingscompensatie in het magneetsysteem bereiken, waardoor de golven zich ruimtelijk kunnen voortplanten.

De wetenschappers verwachten dat hun nieuwe aanpak een grote impact zal hebben op toekomstige ontwikkelingen in magnonics en spintronica. "Onze bevindingen openen een route voor de implementatie van spin Hall-oscillatoren die microgolfsignalen kunnen genereren met technologisch relevante vermogensniveaus en coherentie, " benadrukt Boris Divinskiy, een doctoraat student aan het Institute for Nonlinear Magnetic Dynamics aan de Universiteit van Münster en eerste auteur van de studie.