Informatieverwerkingstechnologieën die typisch gebaseerd zijn op elektronenladingen kunnen theoretisch ook gebruik maken van de elektrische spin. Magnon spintronica kan gekwantiseerde spingolven gebruiken, magnonen, als dragers van spinstromen in geïntegreerde magnonische circuits. Het golfkarakter en de joule-verwarmingsvrije voortplanting van spingolven is een veelbelovende combinatie om zeer efficiënte computerplatforms met geïntegreerde magnonische circuits te ontwikkelen. Hoewel cruciaal, de realisatie van schakelingen op nanoschaal is uiterst uitdagend vanwege de moeilijkheid om nanoscopische magnetische eigenschappen aan te passen met behulp van bestaande, conventionele technieken. Magnonics is daarom een ​​jong onderzoeksgebied op het snijvlak van de studie van spindynamica en wetenschap en technologie op nanoschaal.

In een recente studie, nu gepubliceerd in Natuur Communicatie Natuurkunde , multidisciplinaire natuurkundigen in de VS en Europa ontwikkelden samen nanoschaal, herconfigureerbaar, spingolfcircuits met behulp van spintexturen met patronen. In productie, Edoardo Albisetti en collega's visualiseerden en channelden de voortplantende spingolven in willekeurige nanomagnonische golfgeleiders met behulp van ruimte- en tijd-opgeloste scanning transmissie X-ray microscopie beeldvorming (STXM), zonder externe magnetische velden of stromen. In aanvulling, de natuurkundigen demonstreerden een prototypisch circuit op basis van twee convergerende nanogolfgeleiders om afstembare ruimtelijke superpositie en interferentie van beperkte spingolfmodi mogelijk te maken. Het werk legt de basis om geconstrueerde spintexturen te gebruiken als bouwstenen voor op spingolf gebaseerde computerapparatuur.

Spin-wave manipulatie is een veelbelovend alternatief voor conventionele elektronica om energie-efficiënte computerplatforms te ontwikkelen, met veel concepten voorgesteld in de afgelopen jaren om het concept te realiseren, van spingolven met dipooluitwisseling in beperkte geometrie tot spin-orbit-gebaseerde spingolfvezels. Een grote uitdaging die de realisatie van spingolfcircuits op nanoschaal heeft belemmerd, is het efficiënt kanaliseren en sturen van spingolven, tot nu toe alleen geïntegreerd in micron-sized elementen via externe velden, of door arrays van nanomagneten te gebruiken. Op weg naar nanomagnonics, het is zeer aantrekkelijk om het gebruik van spintexturen op nanoschaal te overwegen om de voortplanting van spingolven te beheersen, hoewel conventionele methoden dergelijke inspanningen op basis van domeinwanden (waarop magnetische dipolen of spins zich heroriënteren) hebben verhinderd. In aanvulling, het vermogen om spintexturen te sturen om spingolven in een spingolfcircuit op nanoschaal te beheersen, is ook ongrijpbaar gebleven. Bovendien, de beperkte afmetingen van dergelijke spingolfmodi moeten nog in detail worden waargenomen en onderzocht.

Albesetti et al. demonstreerde de fundamentele bouwstenen van spingolfcircuits met behulp van willekeurig gevormde magnonische nanogolfgeleiders en prototypische spingolfcircuits. De opstelling maakte de afstembare superpositie mogelijk van signalen die zich in twee convergerende golfgeleiders voortplanten door de spintextuur van een ferromagnetische dunne film te modelleren met behulp van een eerder vastgestelde techniek van thermisch ondersteunde magnetische scanningsondelithografie (tam-SPL). De afwezigheid van fysieke patronen en omkeerbaarheid van de tam-SPL-techniek maakte volledig herconfigureerbare nanomagnetische structuren mogelijk op basis van spintexturen met technische functionaliteit. Direct bewijs werd geleverd via observaties gemaakt met behulp van ruimte- en tijdsopgeloste STXM op het kanaliseren en sturen van gelokaliseerde spingolfmodi die zich voortplanten binnen rechte en gebogen domeinwandgebaseerde golfgeleiders, zonder extern magnetisch veld.

De auteurs hebben verschillende spintexturen in een ferromagnetische/antiferromagnetische dubbellaag met uitwisselingsbias gemodelleerd door een verwarmde scanningsonde te vegen met behulp van tam-SPL. Het proces bepaalt de sterkte en richting van unidirectionele magnetische anisotropie in de ferromagnetische film, waardoor nanopatronen van gemanipuleerde spin-configuraties mogelijk zijn. Door de geometrie van het door de punt gescande gebied te regelen, rechte en gebogen domeinwanden werden verkregen. De spintexturen met patronen en gelokaliseerde spingolfmodi werden gekarakteriseerd met behulp van STXM. Een microstrip-antenne werd gebruikt voor de spingolf-excitatie die zich vrij langs de wand voortplantte, in modi die bekend staan ​​als Wintermagnons.

Daarna, stapels Co ₄₀ Fe ₄₀ B ₂₀ (20nm), Ir ₂₂ Mn ₇₈ (10 nm) en Ru (2 nm) werden afgezet op 200 nm dik Si ₃ N ₄ membranen via DC-magnetron sputteren door een 30 mT magnetisch veld aan te leggen om de golfgeleiders te fabriceren. Microstrip-antennes (2 µm x 30 µm) werden in het apparaat vervaardigd met behulp van optische lithografie. De engineered exchange bias multilayer werd optisch afgebeeld om de oriëntatie van de van een patroon voorziene domeinwand ten opzichte van de antenne te visualiseren. Statische STXM-afbeeldingen vertoonden spintexturen met patronen via tam-SPL, gevolgd door overeenkomstige micromagnetische simulaties.

De onderzoekers gebruikten tijdsopgeloste transmissie-röntgenmicroscopie op het polLux (X07DA) eindstation van de Zwitserse lichtbron om de tijdafhankelijke magnetische configuratie van de monsters te verkrijgen. Met behulp van de techniek, spingolven werden stroboscopisch afgebeeld met een puntresolutie tussen 40 – 75 nm; resultaten voor gebogen en rechte wanden werden gerapporteerd. Gaussiaanse filtering werd gebruikt om het contrast te verbeteren met een excitatiefrequentie (1,28 GHz) zonder een extern statisch magnetisch veld. De spingolven die aan de domeinwand waren opgesloten, plantten zich voort weg van de antenne aan de onderkant van de panelen.

spingolven die zich langs een gekromd pad voortplanten, werden daarna waargenomen met een excitatiefrequentie van 1,11 GHz. spingolven werden beperkt tot de patroonwanden en gedetecteerd tot op 2 µm afstand van de antenne. De auteurs rapporteerden ook over langere voortplantingsafstanden langs een gekromde domeinwand die detecteerbaar was tot 3,5 µm verwijderd van de microstripantenne.

In de studie, micromagnetische simulaties werden uitgevoerd door het oplossen van de Landua-Lishitz-Gilbert bewegingsvergelijking geïntegreerd in de open-source software MuMax3. De simulaties kwamen goed overeen met de experimentele resultaten om het voortplantende karakter van de excitaties te bevestigen. Demonstratie van het voortplantende karakter en de positieve dispersie bevestigde de mogelijkheid om dergelijke geleide modi te gebruiken om informatie binnen geïntegreerde nanomagnonische circuits te transporteren. Golfgeleiders die beperkte spin-modi kunnen besturen en manipuleren, vormen fundamentele bouwstenen om nanomagnonische apparaten te realiseren. De auteurs demonstreerden daarna een nanomagnonische schakeling die afstembare ruimtelijke superpositie en interferentie mogelijk maakte van de geleide spingolfmodi die zich in twee convergerende golfgeleiders voortplanten.

Met behulp van STXM-afbeeldingen toonden de auteurs een spintextuur bestaande uit twee domeinwanden die konden worden gecontroleerd via de toepassing van een klein statisch magnetisch veld variërend van 2 mT - 1,68 mT. Het systeem werd uitgebreid gekarakteriseerd om te anticiperen op de controle van de superpositie en andere eigenschappen van de geleide modi via externe stimuli om de implementatie van logische functies in op spintextuur gebaseerde apparaten voor te stellen; zoals eerder alleen geprojecteerd met het concept van spingolf-interferometers.

In dit werk, de auteurs ontwierpen een prototypisch nanomagnonic-circuit dat een afstembare ruimtelijke superpositie mogelijk maakte van signalen die zich in twee convergerende golfgeleiders voortplanten. Het vooruitzicht om een ​​herconfigureerbaar circuit op nanoschaal te ontwikkelen was een langdurige experimentele uitdaging. Het werk toonde aan dat gemanipuleerde spintexturen een krachtig, veelzijdige tool die experimentele ontwikkeling van nanocircuits mogelijk maakte. Het onderzoek markeert een fundamentele overgang in de experimentele vooruitgang naar geïntegreerde nanomagnonische computerapparatuur.

© 2018 Fys.org