Naukowcy opracowali przełomową metodę tworzenia bardziej kompaktowych i energooszczędnych urządzeń komputerowych przy użyciu obwodów magnonicznych.
Dzięki wykorzystaniu prądów przemiennych do generowania i sterowania falami wirowymi w syntetycznych parach wirów ferrimagnetycznych, to nowe podejście zapewnia znaczny postęp w porównaniu z tradycyjną technologią CMOS, potencjalnie prowadząc do nowej generacji systemów komputerowych.
Przełom w miniaturyzacji i wydajności komputerów
Jednostki centralne (CPU) w naszych laptopach, komputerach stacjonarnych i telefonach opierają się na miliardach tranzystorów zbudowanych w technologii komplementarnych półprzewodników z tlenku metalu (CMOS). W miarę wzrostu zapotrzebowania na zmniejszanie tych urządzeń pojawiły się ograniczenia fizyczne i obawy dotyczące ich długoterminowej żywotności. Co więcej, ich znaczne zużycie energii i straty napędzają poszukiwania alternatywnych architektur obliczeniowych.
Wykorzystanie fal wirowych dla technologii przyszłości
Jednym z obiecujących kandydatów są magnony, kwanty fal spinowych. „Wyobraźcie sobie spokojne jezioro. Jeśli wpuścimy kamień do wody, powstałe fale będą się rozchodzić od miejsca powstania. Teraz zastępujemy jezioro materiałem magnetycznym, a kamień anteną. Rozchodzące się fale nazywane są falami spinowymi i można je wykorzystać do przesyłania energii i informacji z jednego punktu do drugiego przy minimalnych stratach” – mówi Sabri Koraltan z Uniwersytetu Wiedeńskiego, pierwsza autorka niedawnego badania opublikowanego w czasopiśmie Postęp nauki 25 września.
Po wygenerowaniu fale spinowe mogą być wykorzystywane w urządzeniach magnonicznych do wykonywania klasycznych i niekonwencjonalnych zadań obliczeniowych.
„Aby zmniejszyć ślad urządzeń magnonicznych, musimy wykorzystać fale spinowe o krótkich długościach fal, które ze względu na ograniczoną wydajność są trudne do wygenerowania przy użyciu najnowocześniejszych nanoanten” – dodaje Sebastian Wintz z Helmholtz-Zentrum Berlin i koordynator projektu badawczego. Nanoanteny można wytwarzać wyłącznie w czystych pomieszczeniach, wysoce wyspecjalizowanych zakładach do nanofabrykacji, przy użyciu zaawansowanych technik litograficznych.
Innowacje w zakresie syntetycznych par wirowych ferrimagnetycznych
Dokonując dużego postępu, naukowcy z Austrii i Niemiec wpadli na znacznie prostsze rozwiązanie: prąd elektryczny przepływa bezpośrednio przez stos magnetyczny z wirującymi wzorami magnetycznymi.
„Nasze badania pokazują, że stosując geometrię bocznego prądu przemiennego w parach wirów syntetycznych ferrimagnetycznych, możemy osiągnąć emisję fali spinowej ze skutecznością przewyższającą konwencjonalne metody o kilka rzędów wielkości” – mówi Sabri Koraltan. Syntetyczne systemy ferrimagnetyczne mają przeciwne wzorce namagnesowania.
Jeśli górna warstwa ma wir obracający się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, dolna warstwa ma kierunek obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Umożliwia to efektywne wzbudzenie układu namagnesowania za pomocą pól magnetycznych generowanych przez prądy zmienne.
„Korzystając z naszego mikroskopu rentgenowskiego «Maxymus» o wysokiej rozdzielczości, znajdującego się w synchrotronie elektronowym BESSY II w Berlinie, byliśmy nawet w stanie zaobserwować przewidywane fale spinowe przy nanoskala długości fal i częstotliwości gigahercowe” – dodaje Sebastian Wintz.
„Co więcej, dzięki zastosowaniu specjalnych materiałów, które mogą zmieniać swoje namagnesowanie pod wpływem odkształcenia, wykazaliśmy, że kierunkiem tych fal spinowych można dynamicznie sterować, po prostu dostosowując wielkość przyłożonego prądu. Można to uznać za ważny krok w kierunku aktywnych urządzeń magnonicznych” – uzupełnia Sabri Koraltan.
„Nasza nowa generacja oprogramowania do symulacji mikromagnetycznej, magnum.np, pozwoliła nam przeprowadzić symulacje na dużą skalę, które były kluczowe dla zrozumienia głównych mechanizmów stojących za tym wydajnym i kontrolowanym wzbudzeniem fali spinowej” – dodaje Dieter Süss, kierownik Katedry Fizyki Katedra Materiałów Funkcjonalnych Uniwersytetu Wiedeńskiego.
Możliwość przekierowywania fal spinowych na żądanie otwiera nowe możliwości tworzenia reprogramowalnych obwodów magnonicznych, co może prowadzić do powstania bardziej elastycznych i energooszczędnych systemów komputerowych. Wyniki opublikowane w Postęp nauki stanowią poważny postęp w znajdowaniu nowych sposobów generowania magnonów na potrzeby ewentualnych technologii opartych na magnonach nowej generacji.
Odniesienie: „Sterowana emisja fal spinowych napędzana prądem w parach wirów magnetycznych” autorstwa Sabri Koraltan, Katrin Schultheiss, Florian Bruckner, Markus Weigand, Claas Abert, Dieter Suess i Sebastian Wintz, 25 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.ado8635
