Когерентные спиновые волны, возбуждаемые в простом магнитном трехслойном стеке переменными токами. Кредит: Сабри Коралтан
Новое исследование, проведенное в Венском университете, Институте интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте и Центрах Гельмгольца в Берлине и Дрездене, делает важный шаг на пути к миниатюризации вычислительных устройств и повышению их энергоэффективности.
Работа, опубликованная в Science Advances, открывает новые возможности для создания перепрограммируемых магнонных цепей путем возбуждения спиновых волн переменными токами и перенаправления этих волн по требованию.
Центральные процессоры (ЦП), которые мы используем в наших ноутбуках, настольных компьютерах или даже телефонах, используют миллиарды транзисторов, которые основаны на технологии комплементарного металл-оксид-полупроводника (КМОП). С ростом потребности в миниатюризации этих устройств, несколько физических ограничений вызывают опасения относительно их устойчивости. Кроме того, высокое энергопотребление и потери энергии заставляют ученых искать альтернативные вычислительные архитектуры.
Одним из перспективных кандидатов являются магноны, кванты спиновых волн. «Представьте себе спокойное озеро. Если мы позволим камню упасть в воду, полученные волны будут распространяться от точки генерации. Теперь мы заменим озеро магнитным материалом, а камень антенной. Распространяющиеся волны называются спиновыми волнами и могут использоваться для передачи энергии и информации из одной точки в другую с минимальными потерями», — говорит Сабри Коралтан из Венского университета, первый автор недавнего исследования.
После генерации спиновые волны могут использоваться для магнонных устройств для выполнения классических и нетрадиционных вычислительных задач. «Чтобы уменьшить след магнонных устройств, нам нужно использовать спиновые волны с короткими длинами волн, которые трудно генерировать с помощью современных наноантенн из-за ограниченной эффективности», — добавляет Себастьян Винц из Helmholtz-Zentrum Berlin и координатор исследовательского проекта.
Наноантенны можно изготавливать только в чистых помещениях, на высокоспециализированных предприятиях по нанопроизводству, с использованием передовых методов литографии.
В большом шаге вперед исследователи из Австрии и Германии придумали гораздо более простое решение: электрический ток течет напрямую через магнитный стек с закрученными магнитными узорами. «Наше исследование показывает, что, используя латеральную геометрию переменного тока в синтетических ферримагнитных вихревых парах, мы можем добиться излучения спиновых волн с эффективностью, которая превосходит обычные методы на несколько порядков», — говорит Коралтан.
Синтетические ферримагнитные системы имеют противоположные узоры намагничивания. Если верхний слой имеет вращающийся по часовой стрелке вихрь, нижний слой имеет направление вращения против часовой стрелки. Это позволяет эффективно возбуждать узор намагничивания с помощью магнитных полей, создаваемых переменными токами.
«Используя наш рентгеновский микроскоп высокого разрешения «Maxymus», установленный на электронном синхротроне BESSY II в Берлине, мы даже смогли наблюдать предсказанные спиновые волны на наномасштабных длинах волн и частотах в гигагерцах», — добавляет Винц.
«Более того, используя специальные материалы, которые могут изменять свою намагниченность при приложении деформации, мы продемонстрировали, что направление этих спиновых волн можно динамически управлять, просто регулируя величину приложенного тока. Это можно рассматривать как важный шаг на пути к активным магнонным устройствам», — утверждает Коралтан.
«Наше новое поколение программного обеспечения для микромагнитного моделирования, magnum.np, позволило нам выполнить крупномасштабное моделирование, которое имело решающее значение для понимания основных механизмов, лежащих в основе этого эффективного и управляемого возбуждения спиновых волн», — добавляет Дитер Зюсс, руководитель кафедры физики функциональных материалов Венского университета.
Возможность перенаправлять спиновые волны по требованию открывает новые возможности для создания перепрограммируемых магнонных схем, что может привести к созданию более адаптивных и энергоэффективных вычислительных систем. Результаты представляют собой значительный прогресс в поиске новых способов генерации магнонов для возможных технологий на основе магнонов следующего поколения.
Дополнительная информация: Сабри Коралтан и др., Управляемое токовое излучение спиновых волн в парах магнитных вихрей, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado8635
Информация о журнале: Science Advances
Предоставлено Венским университетом
