Een internationaal team uit Delft, Lancaster, Nijmegen, Kiev en Salerno hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd om magnetische golven te genereren die zich veel sneller door het materiaal voortplanten dan de snelheid van het geluid.

Deze zogenaamde spingolven produceren veel minder warmte dan conventionele elektrische stromen, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor toekomstige computerapparatuur met een aanzienlijk lager stroomverbruik.

Natuurkundigen en ingenieurs van over de hele wereld bedenken voortdurend manieren om de prestaties van gegevensverwerkingsapparatuur te verbeteren. Veel van hun ideeën draaien om het vervangen van elektrische stromen, die de signalen in conventionele elektronica dragen, met golven. Golven zijn coherente excitaties, wat betekent dat informatie kan worden gecodeerd in zowel de amplitude als de fase van de golf. Interferentie en diffractie, natuurlijke fenomenen voor een golf van welke aard dan ook, de creatie van zogenaamde golfgebaseerde logische circuits mogelijk maken, de kleine bouwstenen voor toekomstige gegevensverwerkingstoepassingen. Omdat golven door materialen gaan met een aanzienlijk lagere weerstand dan elektrische stromen, ze hebben het potentieel om het stroomverbruik bij toekomstige computers drastisch te verminderen.

Spingolven in antiferromagneten

Magnetische golven, ook wel spingolven genoemd, zijn een van de meest veelbelovende kandidaten voor op golven gebaseerde logische apparaten. Experimenten met spingolven in reguliere (ferro)magneten hebben aangetoond dat het mogelijk is om kleine logische apparaten te bouwen zonder elektrische stroom te gebruiken. Ferromagneten worden gekenmerkt door een netto magnetisatie. Door dat laatste, we kunnen magnetische informatie op ferromagneten schrijven en lezen met behulp van een extern magnetisch veld.

In recente jaren, er is een focusverschuiving naar het gebruik van antiferromagneten geweest. In antiferromagnetische materialen, de microscopische magnetische momenten van naburige atomen - de spins - zijn nauw aan elkaar gekoppeld en wisselen af ​​tussen twee tegengestelde oriëntaties, zodat er geen netto magnetisatie is. Het bestaan ​​van deze alternerende orde leidt tot aanzienlijk hogere spin-golfvoortplantingssnelheden en de mogelijkheid van terahertz (biljoen hertz) operationele kloksnelheden. Echter, afwezigheid van de magnetisatie maakt antiferromagneten ook magnetisch 'onzichtbaar':het is erg moeilijk om de antiferromagnetische orde te detecteren en te beïnvloeden. De praktijk heeft aangetoond dat het genereren en detecteren van spingolven die door antiferromagnetische media kunnen bewegen nog moeilijker is. Als resultaat, computerconcepten op basis van antiferromagnetische spingolven bestaan ​​tot nu toe als een theoretisch aantrekkelijk maar experimenteel onontgonnen gebied van opwindende mogelijkheden. Het vinden van nieuwe manieren om de 'magnetische momenten' in antiferromagneten te beheersen is daarom van cruciaal belang.

Het internationale team van onderzoekers is er nu in geslaagd om coherente magnetische golven ter grootte van nanometers te creëren in een antiferromagneet die met supersonische snelheden door het materiaal reizen. Hun truc was om ultrakorte lichtpulsen te gebruiken om deze spingolven zowel te creëren als te detecteren. "Hoewel we wisten dat ultrakorte lichtpulsen de magnetische eigenschappen van antiferromagnetische materialen kunnen beïnvloeden, de mogelijkheid om zich met licht voortplantende spingolven met een korte golflengte te lanceren was nog vrij onverwacht", zegt onderzoeker Jorrit Hortensius van de TU Delft. "Dit komt omdat lichtpulsen het momentum missen dat nodig is om korte-golflengte- of grote momentum-spingolven te creëren."

Een lokale ultrasnelle kick

Het is al een paar jaar bekend dat ultrakorte lichtpulsen de sleutel zouden kunnen zijn tot het creëren van hoogfrequente voortplantende spingolven. Binnen een picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde), dergelijke pulsen kunnen het geordende magnetische systeem opschudden en magnetische beweging in antiferromagneten starten. Echter, typisch blijft het aangeslagen gebied gelokaliseerd en ondersteunt het geen voortplanting. Om de opwinding te maken om door het materiaal te reizen, was nog een ander verborgen ingrediënt nodig. "De meeste antiferromagnetische materialen zijn diëlektrica, wat betekent dat ze transparant zijn voor zichtbaar licht. We gebruikten in plaats daarvan ultraviolet licht dat sterk wordt geabsorbeerd, zodat we de spins alleen heel dicht bij het materiaaloppervlak schudden, binnen de zogenaamde huiddiepte", zegt onderzoeker Dmytro Afanasiev. "De combinatie van de ultrasnelle kick met de sterke opsluiting aan het oppervlak van het materiaal bleek de combinatie te zijn om de voortplanting van antiferromagnetische spingolven te induceren."

De spingolven hebben golflengten van ongeveer 100 nm, die een stuk kleiner is dan de golflengte van het licht. Dit doet de onderzoekers geloven dat ze misschien nog kleinere spingolven hebben gecreëerd, ook al kunnen ze ze niet observeren met hun huidige instrumenten. Jorrit Hortensius:"Omdat spingolven met zeer kleine golflengten het meest interessant zijn voor het maken van zeer compacte rekenelementen, we zijn erg benieuwd wat de limiet is."

Dit werk brengt toekomstige spin-wave-apparaten in antiferromagneten dichter bij de realiteit. Rostislav Mikhaylovskiy van de Lancaster University zegt:"Traditioneel werden de antiferromagnetische materialen als praktisch nutteloos beschouwd omdat ze geen magnetisatie bezitten. zeer recent veroorzaakten de unieke functionaliteiten van antiferromagneten een echte hausse in hun studies. We zijn van mening dat onze bevindingen verder onderzoek naar antiferromagnetische spingolven zullen stimuleren en uiteindelijk een op antiferromagneet gebaseerd logisch apparaat in praktisch bereik zullen brengen, waardoor mogelijk de deur wordt geopend naar een radicale vermindering van het vermogen dat nodig is voor computergebruik."