Moderne computers gebruiken elektronen om informatie te verwerken, maar dit ontwerp begint theoretische grenzen te bereiken. Het zou echter mogelijk kunnen zijn om in plaats daarvan magnetisme te gebruiken en zo de ontwikkeling van zowel goedkopere als krachtigere computers voort te zetten, dankzij het werk van wetenschappers van het Niels Bohr Institute (NBI) en de Universiteit van Kopenhagen. Hun studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

"De functie van een computer omvat het sturen van elektrische stroom door een microchip. Hoewel de hoeveelheid klein is, zal de stroom niet alleen informatie transporteren, maar ook bijdragen aan het opwarmen van de chip. Als je een groot aantal componenten dicht op elkaar hebt, wordt de hitte een probleem. Dit is een van de redenen waarom we de limiet hebben bereikt voor hoeveel je de componenten kunt laten krimpen. Een computer op basis van magnetisme zou het probleem van oververhitting voorkomen", zegt professor Kim Lefmann, Condensed Matter Physics, NBI.

"Onze ontdekking is geen direct recept voor het maken van een computer op basis van magnetisme. We hebben eerder een fundamentele magnetische eigenschap onthuld die je moet beheersen als je zo'n computer wilt ontwerpen."

Kwantummechanica stopt versnelling

Om de ontdekking te begrijpen, moet men weten dat magnetische materialen niet noodzakelijk uniform georiënteerd zijn. Met andere woorden, gebieden met magnetische noord- en zuidpolen kunnen naast elkaar bestaan. Deze gebieden worden domeinen genoemd en de grens tussen een noord- en zuidpooldomein is de domeinmuur.

Hoewel de domeinmuur geen fysiek object is, heeft hij toch verschillende deeltjesachtige eigenschappen. Het is een voorbeeld van wat natuurkundigen quasi-deeltjes noemen, wat virtuele verschijnselen betekent die op deeltjes lijken.

"Het is algemeen bekend dat men de positie van de domeinmuur kan verplaatsen door een magnetisch veld aan te leggen. Aanvankelijk zal de muur op dezelfde manier reageren op een fysiek object dat wordt onderworpen aan de zwaartekracht en versnelt totdat het het oppervlak eronder raakt. Er zijn echter andere wetten van toepassing zijn op de kwantumwereld", legt Kim Lefmann uit.

"Op kwantumniveau zijn deeltjes niet alleen objecten, het zijn ook golven. Dit geldt ook voor een quasi-deeltje zoals een domeinmuur. De golfeigenschappen impliceren dat de versnelling wordt vertraagd als de muur interageert met atomen in de omgeving Binnenkort stopt de versnelling volledig en begint de positie van de muur te oscilleren."

Zwitserse hypothese leverde inspiratie

Een soortgelijk fenomeen wordt waargenomen voor elektronen. Hier staat het bekend als Bloch-oscillaties, genoemd naar de Amerikaans-Zwitserse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Felix Bloch die het in 1929 ontdekte.

In 1996 suggereerden Zwitserse theoretische natuurkundigen dat er mogelijk een parallel met Bloch-oscillaties in magnetisme zou kunnen bestaan. Nu - iets meer dan een kwart eeuw later - zijn Kim Lefmann en zijn collega's erin geslaagd deze hypothese te bevestigen.

Het onderzoeksteam heeft de beweging van domeinwanden in het magnetische materiaal CoCl₂ . bestudeerd ∙ 2D₂ O.

"We wisten al lang dat het mogelijk zou zijn om de hypothese te verifiëren, maar we begrepen ook dat hiervoor toegang tot neutronenbronnen nodig was. Uniek is dat neutronen reageren op magnetische velden ondanks dat ze niet elektrisch geladen zijn. Dit maakt ze ideaal voor magnetische studies," vertelt Kim Lefmann.

Boost voor onderzoek naar magnetisme

Neutronenbronnen zijn grootschalige wetenschappelijke instrumenten. Wereldwijd zijn er slechts een twintigtal faciliteiten en de concurrentie om de straaltijd is hevig. Het team is er nu pas in geslaagd voldoende gegevens te verzamelen om te voldoen aan de Nature Communications redacteuren.

"We hebben straaltijd gehad bij respectievelijk NIST in de VS en ILL in Frankrijk. Gelukkig zullen de omstandigheden voor magnetisch onderzoek aanzienlijk verbeteren als de ESS (European Spallation Source, red.) operationeel wordt in Lund, Zweden. Niet alleen onze kansen zullen want de bundeltijd wordt beter, aangezien Denemarken mede-eigenaar is van de faciliteit. De kwaliteit van de resultaten zal ongeveer 100 keer beter worden, omdat de ESS een extreem krachtige neutronenbron zal zijn", zegt Kim Lefmann.

Ter verduidelijking benadrukt hij dat ook al is er sprake van kwantummechanica, een computer op basis van magnetisme geen soort kwantumcomputer zou zijn. "In de toekomst zullen kwantumcomputers naar verwachting in staat zijn om extreem gecompliceerde taken aan te pakken. Maar zelfs dan zullen we nog steeds conventionele computers nodig hebben voor de meer gewone computers. Dit is waar computers op basis van magnetisme relevante alternatieven kunnen worden die net zo beter zijn dan de huidige computers ." + Verder verkennen

Wetenschappers creëren vreemde kwantum 'domeinmuren' in laboratorium