Onderzoekers van EPFL hebben aangetoond dat elektromagnetische golven gekoppeld aan nauwkeurig ontworpen structuren die bekend staan ​​als kunstmatige ferromagnetische quasikristallen, een efficiëntere informatieoverdracht en -verwerking op nanoschaal mogelijk maken. Hun onderzoek vertegenwoordigt ook de eerste praktische demonstratie van Conway-wormen, een theoretisch concept voor de beschrijving van quasikristallen.

Hoogfrequente elektromagnetische golven worden gebruikt om informatie te verzenden en te verwerken in micro-elektronische apparaten zoals smartphones. Het is al bekend dat deze golven kunnen worden gecomprimeerd met behulp van magnetische oscillaties die bekend staan ​​als spingolven of magnons. Deze compressie zou de weg kunnen effenen voor het ontwerp van nanoschaal, multifunctionele magnetronapparaten met een aanzienlijk kleinere footprint. Maar eerst, wetenschappers moeten een beter begrip krijgen van spingolven - of precies hoe magnonen zich gedragen en zich voortplanten in verschillende structuren.

Meer leren over aperiodische structuren

In een studie uitgevoerd door de doctoraalassistent Sho Watanabe, postdoctoraal onderzoeker Dr. Vinayak Bhat, en andere teamleden, de wetenschappers van EPFL's Laboratory of Nanoscale Magnetic Materials and Magnonics (LMGN) onderzochten hoe elektromagnetische golven zich voortplanten, en hoe ze kunnen worden gemanipuleerd, in nauwkeurig ontworpen nanostructuren die bekend staan ​​als kunstmatige ferromagnetische quasikristallen. De quasikristallen hebben een unieke eigenschap:hun structuur is aperiodiek, wat betekent dat hun samenstellende atomen of op maat gemaakte elementen geen regelmatige, herhalend patroon, maar zijn nog steeds deterministisch gerangschikt. Hoewel deze eigenschap materialen bijzonder nuttig maakt voor het ontwerp van alledaagse en hightech-apparaten, het blijft slecht begrepen.

sneller, eenvoudigere overdracht van informatie

Het LMGN-team ontdekte dat, onder gecontroleerde omstandigheden, een enkele elektromagnetische golf gekoppeld aan een kunstmatig quasikristal splitst zich in verschillende spingolven, die zich vervolgens binnen de structuur voortplanten. Elk van deze spingolven vertegenwoordigt een andere fase van de oorspronkelijke elektromagnetische golf, verschillende informatie dragen. "Het is een zeer interessante ontdekking, omdat bestaande methoden voor informatieoverdracht hetzelfde principe volgen, " zegt Dirk Grundler, een universitair hoofddocent aan EPFL's School of Engineering (STI). "Behalve dat je een extra apparaat nodig hebt, een multiplexer, om het ingangssignaal te splitsen omdat het, in tegenstelling tot onze studie, niet vanzelf deelt."

Grundler legt ook uit dat, in conventionele systemen, de informatie in elke golf kan alleen op verschillende frequenties worden gelezen - nog een ongemak dat het EPFL-team in hun onderzoek heeft overwonnen. "In onze tweedimensionale quasikristallen, alle golven kunnen met dezelfde frequentie worden gelezen, " voegt hij eraan toe. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Golven die zich verspreiden als wormen

De onderzoekers merkten ook op dat, in plaats van willekeurig te verspreiden, de golven bewogen vaak als zogenaamde Conway-wormen, genoemd naar een bekende wiskundige John Horton Conway die ook een model ontwikkelde om het gedrag en de voedingspatronen van prehistorische wormen te beschrijven. Conway ontdekte dat binnen tweedimensionale quasikristallen, samenstellende elementen schikken als meanderende wormen die een Fibonacci-reeks volgen. Daarbij vormen ze geselecteerde eendimensionale quasikristallen. "Onze studie vertegenwoordigt de eerste praktische demonstratie van dit theoretische concept, bewijzen dat de sequenties interessante functionele eigenschappen van golven in een quasikristal induceren, ’ zegt Grundler.