Met de snelle opmars van miniaturisatie, gegevensverwerking met behulp van elektrische stromen staat voor grote uitdagingen, waarvan sommige onoverkomelijk zijn. Magnetische spingolven zijn een veelbelovend alternatief voor de overdracht van informatie in nog compactere chips. Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), als onderdeel van een internationale onderzoeksonderneming, zijn er nu in geslaagd spingolven te genereren met extreem korte golflengten in het nanometerbereik - een belangrijk kenmerk voor hun toekomstige toepassing.

Kleiner, sneller, energiezuiniger - dat is het mantra voor de verdere ontwikkeling van computers en mobiele telefoons, die momenteel in een adembenemend tempo vordert. Echter, Dr. Sebastian Wintz van het HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research weet maar al te goed, hoe moeilijk het nu al is om tot een verdere graad van miniaturisering te komen. "Een groot probleem met de huidige technologieën, " hij zei, "is de warmte die ontstaat bij het verzenden van data met behulp van elektrische stromen. We hebben een nieuw concept nodig." De natuurkundige werkt met internationale collega's aan zogenaamde spingolven (magnons) die in de toekomst bewegende ladingen als informatiedragers gaan vervangen. De wetenschappers zijn er nu voor het eerst in geslaagd spingolven te genereren met zulke korte golflengten dat ze potentieel hebben voor toekomstige toepassingen in dataverwerking.

Spingolven vervangen elektrische stroom

De spin duidt een eigenschap aan die de deeltjes een magnetisch moment geeft. Ze werken dan als kleine magneten die parallel aan elkaar lopen in ferromagnetische materialen. Als een van de spins dan van richting verandert, dit heeft een domino-effect op zijn buren. Een kettingreactie veroorzaakt een spingolf.

De verwerking van informatie is momenteel gebaseerd op elektrische stromen. De geladen deeltjes razen door een netwerk van draden die steeds dichter bij elkaar worden geperst, gedreven door het verlangen naar steeds compactere chips. Onderweg, de elektronen botsen met atomen, waardoor ze heen en weer schommelen in het kristalrooster en daarbij warmte genereren. Als de draden te dicht bij elkaar liggen, deze warmte kan niet meer worden afgevoerd en het systeem valt uit. "Het grote voordeel van spingolven is dat de elektronen zelf niet bewegen, " legde Wintz uit, "daarom wordt er door de datastroom maar heel weinig warmte geproduceerd."

Magnetische vortex als nano-antenne

De traditionele benadering voor het genereren van spingolven is het gebruik van kleine metalen antennes die magnonen genereren wanneer ze worden aangedreven door een hoogfrequente wisselstroom. De kleinste golflengte die op deze manier kan worden gegenereerd, is ongeveer de grootte van de gebruikte antenne. Juist daar ligt het grote probleem dat kleine golflengten op nanometerschaal nodig zijn om aan de vraag naar steeds grotere miniaturisatie te kunnen voldoen. Het is momenteel niet mogelijk, echter, om zulke kleine hoogfrequente antennes te maken.

Het onderzoeksteam uit Duitsland, Zwitserland en de VS zijn er nu in geslaagd om op een geheel nieuwe manier extreem korte golf spingolven te genereren. Als een natuurlijk gevormde antenne, ze gebruiken het centrum van een magnetische vortex die wordt geproduceerd in een kleine, ultradunne ferromagnetische schijf. Vanwege de beperkte grootte van de schijf, de spins lopen niet allemaal parallel zoals normaal, maar liggen langs concentrische cirkels in het vlak van de schijf. Dit, beurtelings, dwingt de spins uit een klein gebied in het midden van de schijf, met een diameter van slechts enkele nanometers, om recht te zetten en, dus, om weg te wijzen van het oppervlak van de schijf. Als dit centrale gebied wordt blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld, ontstaat er een spingolf.

Er zijn nog een paar trucjes nodig, echter, om de golflengte naar wens in te korten. Bijgevolg, een tweede kleine schijf wordt op de eerste geplaatst, gescheiden door een dunne, niet-magnetische laag. Wanneer deze scheidingslaag met een bepaalde dikte wordt vervaardigd, dan werken de twee schijven op een zodanige manier samen dat een antiferromagnetische koppeling tussen de schijven ontstaat - de spins proberen in tegengestelde richtingen te wijzen - waardoor de golflengte van de uitgezonden spingolven vele malen kleiner wordt. “Alleen zo komen we tot een resultaat dat relevant is voor de informatietechnologie, ", voegde Wintz eraan toe.

Aantrekkelijke eigenschappen voor toepassingen

De wetenschappers toonden niet alleen de korte golflengten van de op deze manier gegenereerde spingolven aan, maar waren ook in staat om andere golfeigenschappen te onthullen die zeer nuttig zouden kunnen zijn voor toekomstige toepassingen. Met behulp van hogesnelheidsfilms gemaakt met een röntgenmicroscoop van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart (dat is geïnstalleerd in het Helmholtz-Zentrum Berlijn) toonden ze aan dat de golflengte precies kan worden aangepast door de selectie van the excitation frequency. Similar measurements were also carried out at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. Wat is meer, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.