Nog snellere processors met nog kleinere afmetingen? Waar noch elektronica noch spintronica prestatie of miniaturisatie aankan, magnonics komt te hulp. Maar voordat dat gebeurt, wetenschappers moeten leren hoe ze de stroom van magnetische golven door magnonische kristallen nauwkeurig kunnen simuleren. Bij het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau is zojuist een belangrijke stap in deze richting gezet.

Je kunt er over twisten of het aantal gaatjes in kaas te maken heeft met de kwaliteit ervan of niet. Natuurkundigen die zich bezighouden met magnonische materialen hebben dergelijke dilemma's niet:hoe meer gaten er in het materiaal zitten, hoe interessanter de magnetische eigenschappen worden, maar ook radicaal moeilijker te beschrijven en te modelleren. In een artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten een groep experimentele en theoretische natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau presenteert een nieuwe, experimenteel geverifieerd model, die voor het eerst maakt het mogelijk om lokale veranderingen in de magnetische eigenschappen van magnonische kristallen te simuleren, met grote nauwkeurigheid. Onder deze exotische naam zijn dun verborgen, meerlagige metalen structuren met een regelmatig raster van kleinere of grotere, min of meer aaneengesloten ronde gaten. De op Krakau gebaseerde analyses suggereren ook dat de magnetische verschijnselen die optreden in magnonische kristallen complexer zijn dan eerder werd voorspeld.

"Meerlagige metalen structuren met een regelmatig raster van ronde gaten zijn pas recentelijk bestudeerd - en niet zonder problemen. Het punt is dat dit netwerk van gaten de magnetische eigenschappen van het systeem drastisch verandert, vooral de manier waarop magnetische golven daarin worden voortgeplant. De verschijnselen worden zo ingewikkeld dat tot op heden niemand ze goed heeft kunnen beschrijven of simuleren, " zegt Dr. Michal Krupinski (IFJ PAN).

Elektronica is de verwerking van informatie door middel van elektrische ladingen van elektronen die door het systeem stromen. Spintronica, getipt om de opvolger van elektronica te zijn, maakt ook gebruik van elektronenstromen, maar let niet op hun elektrische lading, maar om te spinnen (met andere woorden:aan de magnetische eigenschappen). Tegen de achtergrond van beide velden, magnonics onderscheidt zich fundamenteel. Er zijn geen georganiseerde mediastromen in magnonische apparaten. Wat door het systeem stroomt, zijn magnetische golven.

De verschillen tussen deze gebieden zijn gemakkelijker te begrijpen door een analogie met de sportwereld. Als een stadion vol raakt of leegloopt, er stromen mensenstromen binnen. Als elektronica hier werkte, het zou aandacht besteden aan het aantal mensen dat het stadion binnenkomt en verlaat. Spintronica zou ook de beweging van mensen observeren, maar het zou geïnteresseerd zijn in de bewegingen van mensen met licht of donker haar. In deze analogie magnonics zou omgaan met de stroming... van Mexicaanse golven. Zulke golven kunnen het hele stadion omcirkelen, ondanks het feit dat geen enkele fan van zijn stoel weggaat.

De natuurkundigen uit Krakau produceerden hun magnonische kristallen met behulp van de methode uitgevonden door Prof. Michael Giersig van de Freie Universität Berlin en ontwikkeld in IFJ PAN door Dr. Krupinski. De eerste stap is het aanbrengen van polystyreen nanodeeltjes op een niet-magnetisch substraat (bijvoorbeeld silicium). De sferen zijn zelforganiserend en kunnen dit op verschillende manieren doen, afhankelijk van de omstandigheden. Het substraat bedekt met georganiseerde bollen wordt vervolgens onderworpen aan de werking van plasma in een vacuümkamer, waardoor de diameter van de bollen op een gecontroleerde manier kan worden verkleind. Dunne lagen geschikte metalen worden vervolgens op het aldus voorbereide monster aangebracht, de een na de ander. Nadat alle lagen zijn aangebracht, het materiaal wordt gewassen met organische oplosmiddelen om de bollen te verwijderen. Het eindresultaat is een periodieke structuur die lijkt op een min of meer dichte zeef, permanent gebonden aan een siliciumsubstraat (mogelijk hoeft het niet stijf te zijn, het team van de IFJ PAN kan ook soortgelijke structuren vormen, b.v. op flexibele polymeersubstraten).

"De systemen die we bestudeerden, bestonden uit 20 afwisselende lagen kobalt en palladium. Dit zijn hele dunne structuren. Hun dikte is slechts 12 nanometer, wat overeenkomt met ongeveer 120 atomen, " zegt dr. Krupinski.

Afhankelijk van de grootte van de gaten, grotere of kleinere gebieden met vormen die lijken op een driehoek worden gevormd tussen hun contactpunten. Atomen in deze gebieden kunnen op dezelfde manier worden gemagnetiseerd en zogenaamde magnetische bellen vormen. Deze bubbels kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan, en veranderingen in hun magnetisatie zorgen voor de voortplanting van magnetische golven in het systeem.

Het theoretische model, gebouwd in IFJ PAN onder leiding van Dr. Pawel Sobieszczyk, beschrijft magnetische verschijnselen die optreden in kristallen met afmetingen van twee bij twee micrometer. Op de schaal van de microwereld, deze dimensies zijn enorm:het aantal atomen is zo groot dat het niet meer mogelijk is om het gedrag van afzonderlijke atomen te simuleren. Echter, door de onderlinge magnetische interactie, de magnetische momenten van aangrenzende atomen zijn meestal in bijna dezelfde richting georiënteerd. Door deze waarneming konden atomen worden gegroepeerd in kleine volumes (voxels), die als afzonderlijke objecten kunnen worden behandeld. Deze procedure verminderde de computationele complexiteit van het model radicaal en maakte het mogelijk om numerieke simulaties uit te voeren, die werden uitgevoerd in het Academisch Computercentrum Cyfronet AGH University of Science and Technology in Krakau.

"De sleutel tot succes was het idee om onvolkomenheden in echte magnonische kristallen op te nemen in het model, " zegt Dr. Sobieszczyk en somt op:"Allereerst, echte structuren zijn nooit perfecte kristallen. Het zijn meestal clusters van veel kristallen die kristallieten worden genoemd. Afhankelijk van de grootte en vorm, kristallieten kunnen verschillende magnetische eigenschappen hebben. Bovendien, chemische verontreinigingen kunnen in het systeem voorkomen. Ze zorgen ervoor dat bepaalde delen van het materiaal hun magnetische eigenschappen verliezen. Eindelijk, de afzonderlijke metaallagen kunnen op sommige plaatsen dikker of dunner zijn. Ons model werkt zo precies omdat het met al deze effecten rekening houdt."

Het hier gepresenteerde model voorspelt het bestaan ​​van een interessant, tot nu toe onopgemerkt fenomeen. Wanneer twee aangrenzende bellen omgekeerd worden gemagnetiseerd, de magnetische momenten van de atomen ertussen kunnen hun oriëntatie veranderen door evenwijdig aan het vlak van de laag of loodrecht te roteren. Er ontstaat dan een soort muur tussen de bubbels, in het eerste geval een Bloch-muur genoemd, in de tweede - een Néel-muur. Tot nu, er werd aangenomen dat in een bepaald magnonic kristal slechts één soort wanden te vinden waren. Het model ontwikkeld door natuurkundigen van de IFJ PAN suggereert dat beide typen magnetische wanden in hetzelfde kristal kunnen voorkomen.

Magnonics is nog maar net begonnen. De weg naar complexe processors:kleinere, sneller, en met een logische structuur die naar behoefte kan worden geherprogrammeerd - is nog ver weg. Magnonische herinneringen en innovatieve sensoren die kleine hoeveelheden stoffen kunnen detecteren, lijken realistischer. Inzicht in de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de magnetische eigenschappen van magnonische kristallen en de manieren waarop magnetische golven stromen, brengt ons dichter bij dit soort apparaten. Dit is een belangrijke stap, waarna de volgende zeker zullen komen.