Nästa våg | naturfysik

Nästa våg | naturfysik

Anonim

ämnen

  • Magnetiska egenskaper och material
  • spinntronik

Spinvågor ser tillräckliga ut för att göra en stänk i databehandlingen.

Bild: IMAGE COURTESY OF SANDER OTTE

Redan före upptäckten 1897 hade kontrollen av elektronen redan spelat en roll i en teknologisk revolution: elektrisk kraft möjliggjorde massproduktionstillverkningsmetoderna för den andra industriella revolutionen under 1800-talet. Nivåerna för dess manipulation har nu nått så höga att teknologierna som genomtränger vårt dagliga liv säkert skulle tyckas fantasifullt för forskarna som först undersökte denna elementära partikel. Nu ser världen ut att välkomna ett nytt sätt att utnyttja elektronen, i form av magnetik.

Elektronladdningen är fast etablerad som den informationsbärare som väljs för modern teknik. Men vad med dess andra elementära egenskap, snurra? Trots att den upptäcktes bara tio år efter det att elektronladdningen först uppmättes, förblir spinn en relativ passagerare inom informationsbehandlingsteknologier. Men dess närvaro kan revolutionera dessa tekniker och på fler sätt än ett.

Elektronsnurret stöder faktiskt magnetlagringsteknologier, med magnetiska "bitar" kodade i riktning mot ett materialets magnetisering, vilket återspeglar beteendet hos en samling snurrar. Det som skiljer spinn från laddning är att det finns två möjliga värden, säg 0 och 1, för partiklar som har en snurr på 1/2, som elektron. En iboende egenskap som kan existera i flera tillstånd låter som den idealiska kandidaten för logikoperationer. Dessutom lindrar hanteringen av snurr förlusterna i samband med rörliga laddningar, såsom Joule-uppvärmning. Så varför använder inte informationsteknologi den här egenskapen? Det är verkligen inte för att försöka.

Ansträngningar för att använda spins för både datalagring och informationsbearbetning är ett fokus för många forskare inom spintronics-samhället. Fältet för spintronics växte ut ur upptäckten av spinnberoende elektrontransport under 1980-talet 1 och handlar om att använda magnetiska och elektriska fält för att manipulera snurr. Även om många logiska enheter baserade på spintronics fortfarande är i utvecklingsstadier, har vissa redan nått marknaden. Men det finns möjligheter för teknik som går utöver elektronbärad laddning och snurrströmmar.

Det föreslogs redan på 1930-talet 2, och observerades experimentellt under 1950-talet 3, att vågor skulle kunna upphetsas i magnetiskt ordnade material med användning av den kollektiva förberedande rörelsen för snurr. Eftersom varje enskilt spinn föregår på sitt givna läge, uppstår spinnvågutbredning utan att elektronladdningar förskjuts. Man kan därför föreställa sig en anordning där en ingångsspänning omvandlas till en spinnvåg, någon vågbaserad beräkning utförs och sedan omvandlas vågen tillbaka till en spänning. Det finns flera fördelar med en sådan anordning, inklusive parallell databehandling på olika vågfrekvenser, låg energiförbrukning och icke-booleska datoralgoritmer - möjliggjort av den ytterligare frihetsgraden som tillhandahålls av vågens fas.

Forskningsområdet som syftar till att utnyttja spinnvågor kallas magnonic, som hänvisar till den kvantiserade versionen av spinvågor: magnoner. I det här numret av naturfysik tittar vi noga på framstegen, utsikterna och utmaningarna för att utveckla informationsbearbetning och trådlös kommunikationsteknologi baserad på snurrvågor.

Även om spinnvågor upptäcktes decennier innan spinnberoende transporteffekter, kommer magnoniska enheter ännu inte att nå samma höjder som deras spintroniska motsvarigheter. Denna framsteg har kanske hindrats av bristen på lämpliga material och behovet av avancerade nanovetenskapstekniker för att generera, manipulera och upptäcka magnoner i nanometerskalan. Men de senaste demonstrationerna, såsom förverkligandet av en magnontransistor, belyser framstegen som görs.

För att utvidga uppsättningen material som kan hysa magnoner används konstgjorda kristaller. På ungefär samma sätt som fotoniska kristaller uppvisar skräddarsydda bandstrukturer för elektromagnetiska vågor, kan vissa magnetiska kristaller modifiera bandstrukturen för magnoner. Modulering uppnås i sådana kristaller genom att variera deras magnetiska egenskaper. På sidan 487 i denna fråga visar Marc Vogel och kollegor hur rekonfigurerbara magnetiska kristaller kan skapas i en isolerande ferrimagnet med alla optiska metoder.

Potentialen för att använda sådana tekniker i trådlös kommunikationsteknologi undersöks av Dirk Grundler i en kommentar på sidan 438. Koppling av elektromagnetiska vågor till mekaniska vågor tillåter trådlös kommunikationsteknologi att drastiskt miniatyriseras. Grundler diskuterar hur magnonik inte bara kunde tillhandahålla trådlösa tekniker som är små, utan också omprogrammerbara.

Som man kan förvänta sig är magnonik- och spintronikonsamhällena nära sammanflätade. Och eftersom magnoner kan omvandlas till elektronbärande spinn- och laddningsströmmar, kan kretsar utvecklas vars enskilda komponenter utnyttjar styrkan hos de olika spintron-, laddnings- eller magnetiska elementen. Andrii Chumak och kollegor undersöker detta ämne i en granskningsartikel på sidan 453. De diskuterar generering och manipulation av magnoner, mekanismerna och framstegen för konvertering mellan magnonströmmar och snurr- och laddningsströmmar och senaste experimentella framsteg som lägger grunden för magnon -baserad databehandling.

Eftersom detta fokus hjälper till att illustrera, kan spinn användas i tekniker på fler sätt än ett. Och även om magnetiska enheter har vissa att komma ikapp med att göra om de ska emulera sina spintroniska motsvarigheter så ser de äntligen ut att vara med i loppet.

Författare