In recente jaren, elektronische gegevensverwerking evolueert slechts in één richting:de industrie heeft zijn componenten verkleind tot het nanometerbereik. Maar dit proces bereikt nu zijn fysieke grenzen. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) onderzoeken daarom spingolven, of zogenaamde magnons - een veelbelovend alternatief voor het transporteren van informatie in compactere microchips. Samenwerken met internationale partners, ze hebben met succes spingolven met een extreem korte golflengte gegenereerd en gecontroleerd. De natuurkundigen bereikten deze prestatie door gebruik te maken van een natuurlijk magnetisch fenomeen, zoals ze uitleggen in het journaal Natuur Nanotechnologie .

Voor een lange tijd, er is één betrouwbare vuistregel in de wereld van de informatietechnologie:het aantal transistors op een microprocessor verdubbelt ongeveer elke twee jaar. De resulterende prestatieverbetering bracht ons de digitale kansen die we nu als vanzelfsprekend beschouwen, van snel internet tot de smartphone. Maar naarmate de geleiders op de chip steeds kleiner worden, we beginnen problemen te krijgen, zoals Dr. Sebastian Wintz van HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research uitlegt:"De elektronen die door onze moderne microprocessors stromen, verhitten de chip als gevolg van elektrische weerstand. Voorbij een bepaald punt, de chips vallen simpelweg uit omdat de warmte niet meer kan ontsnappen." Dit voorkomt ook een verdere verhoging van de snelheid van de componenten.

Dit is de reden waarom de fysicus die momenteel ook werkt aan het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland, ziet een andere toekomst voor informatiedragers. In plaats van elektrische stromen, Wintz en zijn collega's profiteren van een specifieke eigenschap van elektronen, spin genaamd. De minuscule deeltjes gedragen zich alsof ze constant om hun eigen as draaien, waardoor een magnetisch moment ontstaat. In bepaalde magnetische materialen, zoals ijzer of nikkel, de spins zijn meestal evenwijdig aan elkaar. Als de oriëntatie van deze spins op één plaats wordt veranderd, die verstoring reist naar de naburige deeltjes, het triggeren van een spingolf die kan worden gebruikt om informatie te coderen en te verspreiden. "In dit scenario, de elektronen blijven waar ze zijn, " zegt Wintz, hun voordeel beschrijven. "Ze genereren nauwelijks warmte, wat betekent dat op spin gebaseerde componenten veel minder energie nodig hebben."

Hoe kunnen we de golf beheersen?

Tot dusver, echter, er zijn twee fundamentele uitdagingen die het gebruik van spingolven bemoeilijken:de golflengten die kunnen worden gegenereerd, zijn niet kort genoeg voor de nanometer-achtige structuren op de chips, en er is geen manier om de golven te beheersen. Sebastian Wintz en zijn medewerkers hebben nu voor beide problemen een oplossing kunnen vinden. "In tegenstelling tot de kunstmatig gemaakte antennes die gewoonlijk worden gebruikt om de golven op te wekken, we gebruiken er nu een die van nature in het materiaal is gevormd, " legt eerste auteur dr. Volker Sluka uit. "Hiertoe, we hebben micro-elementen gefabriceerd bestaande uit twee ferromagnetische schijven die antiferromagnetisch zijn gekoppeld via een Ruthenium-spacer. Verder, we kozen het materiaal van de schijven zodat de spins er de voorkeur aan geven langs een bepaalde as in de ruimte uit te lijnen, wat resulteert in het gewenste magnetische patroon."

Binnen de twee lagen, dit creëert gebieden met verschillende magnetisatie, gescheiden door wat een domeinmuur wordt genoemd. De wetenschappers stelden de lagen vervolgens bloot aan magnetische velden, afgewisseld met een frequentie van één gigahertz of hoger. Met behulp van een röntgenmicroscoop van het Max Planck Institute for Intelligent Systems Stuttgart, die wordt geëxploiteerd in het Helmholtz-Zentrum Berlin, ze konden waarnemen dat spingolven met evenwijdige golffronten zich in de richting loodrecht op de domeinwand voortbewegen. "Bij eerdere experimenten de rimpelingen van de golf leken op die je krijgt als een kiezelsteen een wateroppervlak raakt, Sluka meldt. "Dit is niet optimaal, omdat de oscillatie snel afneemt als de golf zich in alle richtingen verspreidt. Om in dezelfde analogie te blijven, de golven zien er nu uit alsof ze werden voortgebracht door een lange staaf die heen en weer beweegt in het water."

Zoals de röntgenfoto's hebben laten zien, deze spingolven kunnen enkele micrometers afleggen bij golflengten van slechts ongeveer 100 nanometer, zonder noemenswaardig signaalverlies - een noodzakelijke voorwaarde voor gebruik in moderne informatietechnologie. Bovendien, de natuurkundigen hebben een mogelijke manier gevonden om deze nieuwe informatiedrager aan te sturen als ze de stimulatiefrequentie onder een halve gigahertz zetten. De spingolven bleven dus gevangen in de domeinmuur:"In dit scenario de golven konden zelfs in een bocht lopen, " zegt Volker Sluka, toe te voegen:"Toch konden we de signalen nog steeds detecteren." Met hun resultaten de onderzoekers hebben een belangrijke basis gelegd voor de verdere ontwikkeling van op spingolf gebaseerde circuits.

Op lange termijn, dit zou een volledig nieuw ontwerp van microprocessors kunnen vergemakkelijken, Sebastian Wintz voorspelt:"Met behulp van magnetische velden, we kunnen domeinmuren relatief eenvoudig verplaatsen. Dat betekent dat chips die met spingolven werken niet per se een vooraf gedefinieerde architectuur nodig hebben, maar ze kunnen later worden gewijzigd en aangepast om nieuwe taken te vervullen."