Onderzoekers van de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben een synthetische antiferromagneet op nanoschaal gebruikt om de interactie tussen magnonen te beheersen - onderzoek dat zou kunnen leiden tot snellere en energiezuinigere computers.

Bij ferromagneten, elektronenspins wijzen in dezelfde richting. Om toekomstige computertechnologieën sneller en energiezuiniger te maken, spintronica-onderzoek maakt gebruik van spindynamica - fluctuaties van de elektronenspins - om informatie te verwerken. Magnonen, de kwantummechanische eenheden van spinfluctuaties, communiceren met elkaar, wat leidt tot niet-lineaire kenmerken van de spindynamiek. Dergelijke niet-lineariteiten spelen een centrale rol in magnetisch geheugen, draai torsieoscillatoren, en vele andere spintronic-toepassingen.

Bijvoorbeeld, in het opkomende veld van magnetische neuromorfe netwerken - een technologie die de hersenen nabootst - zijn niet-lineariteiten essentieel voor het afstemmen van de respons van magnetische neuronen. Ook, op een ander grensgebied van onderzoek, niet-lineaire spindynamiek kan instrumenteel worden.

"We anticiperen op de concepten van kwantuminformatie en spintronica om te consolideren in hybride kwantumsystemen, " zei Igor Barsukov, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde die de studie leidde die verschijnt in Toegepaste materialen en interfaces . "We zullen de niet-lineaire spindynamiek op kwantumniveau moeten beheersen om hun functionaliteit te bereiken."

Barsukov legde uit dat in nanomagneten, die als bouwstenen dienen voor veel spintronische technologieën, magnons tonen gekwantiseerde energieniveaus. Interactie tussen de magnons volgt bepaalde symmetrieregels. Het onderzoeksteam leerde de magnon-interactie te engineeren en identificeerde twee benaderingen om niet-lineariteit te bereiken:het doorbreken van de symmetrie van de spinconfiguratie van de nanomagneet; en het wijzigen van de symmetrie van de magnonen. Ze kozen voor de tweede benadering.

"Het wijzigen van magnon-symmetrie is de meer uitdagende maar ook meer toepassingsvriendelijke benadering, " zei Arezoo Etesamirad, de eerste auteur van het onderzoeksartikel en een afgestudeerde student in het laboratorium van Barsukov.

In hun aanpak de onderzoekers onderwierpen een nanomagneet aan een magnetisch veld dat niet-uniformiteit vertoonde op karakteristieke lengteschalen van nanometers. Dit niet-uniforme magnetische veld op nanoschaal moest zelf afkomstig zijn van een ander object op nanoschaal.

Voor een bron van een dergelijk magnetisch veld, de onderzoekers gebruikten een synthetische antiferromagneet op nanoschaal, of SAF, bestaande uit twee ferromagnetische lagen met antiparallelle spinoriëntatie. In zijn normale toestand, SAF genereert bijna geen strooiveld - het magnetische veld rond de SAF, wat erg klein is. Zodra het de zogenaamde spin-flop-overgang ondergaat, de spins worden gekanteld en de SAF genereert een verdwaald veld met niet-uniformiteit op nanoschaal, naar behoefte. De onderzoekers schakelden de SAF op een gecontroleerde manier tussen de normale toestand en de spin-flop toestand om het symmetriebrekende veld aan en uit te zetten.

"We waren in staat om de magnon-interactiecoëfficiënt met minstens één orde van grootte te manipuleren, " zei Etesamirad. "Dit is een veelbelovend resultaat, die kunnen worden gebruikt om coherente magnon-koppeling in kwantuminformatiesystemen te ontwikkelen, verschillende dissipatieve toestanden creëren in magnetische neuromorfe netwerken, en controleer grote excitatieregimes in spin-torque-apparaten."