8 Minutės
Delavero universiteto (University of Delaware) mokslininkų grupė atskleidė netikėtą elektrinį ryšį tarp magnetinių bangų ir matuojamų įtampų tam tikruose medžiagų sluoksniuose — atradimą, kuris gali pakeisti, kaip ateities kompiuterių lustai perduoda informaciją. Parodę, kad magnionai (magnonai) gali sukelti elektrinę polarizaciją, tyrėjai nurodo naują kelią itin greitai ir energiją taupančiai skaičiavimo architektūrai, kuri išvengtų įprastinių elektronikos sprendimų sukuriamų šilumos nuostolių.
Kaip magnetinė banga virsta elektriniu signalu
Kasdienėje elektronikoje informacija perduodama judančiais elektronais. Elektronai susiduria su varža, sklaidos reiškiniais ir generuoja šilumą — tai riboja greitį ir energijos efektyvumą sudėtinguose įrenginiuose. Magnonai, priešingai, yra kolektyvinės elektronų spinų ekscitacijos: bangos, primenančios sroves ar virpesius, kurios keliauja per kristalinę struktūrą be tiesioginio neto krūvio transportavimo. Kadangi magnonai perneša kampinį pagreitį (kampinį momentą), o ne elektros krūvį, informacijos perdavimas per juos vyksta su gerokai mažesniais energijos nuostoliais ir mažesniu šilumos šaltiniu, kas ypač svarbu aukštos našumo skaičiavimams ir mažos galios įrenginiams.
Delavero universiteto komanda, dirbanti CHARM centre (Center for Heterogeneous Materials Research and Modeling), pasitelkė pažangius teorinius modelius ir skaitines simuliacijas, kad parodytų, jog magnonai antiferromagnetinėse medžiagose gali sukelti elektrinę polarizaciją judėdami per medžiagą. Antiferromagnetikuose spinai yra išsidėstę alternuojančiai aukštyn ir žemyn, todėl makroskopinė magnetizacija išnyksta. Toks spinų išsidėstymas apsunkina šių medžiagų valdymą tradicinėmis magnetinėmis zondų priemonėmis, tačiau tuo pačiu leidžia magnonams plisti teraherco dažnių srityje — tai yra kelis eilės dydžius greičiau nei įprastos feromagnetinės spinų bangos. Šis savybių derinys daro antiferromagnetines medžiagas patrauklias kaip kandidatus magistralėms be judančių krūvių ar šildymo problemų.
Nuo spyruoklių ir slinkių iki terahercinių spinų bangų
„Įsivaizduokite spinus kaip spyruokles slinky žaisle,“ sakė Matthew Doty, vyriausiasis autorius ir medžiagotyros profesorius University of Delaware. „Jei vieną spiną truputį pastumiate, sutrikimas sklinda grandine — tai yra spinų orientacijos banga. Tokią bangą mes vadiname magnonu.“ Šis vaizdinys padeda suprasti, kodėl magnonai gali veikti kaip informacijos nešėjai: jie yra kolektyviniai ekscitaciniai režimai, kurie saugo ir perduoda informaciją apie kampinį momentą bei spinų fazę be sąlyčio su laisvais elektronais.
Naudodami skaitmenines simuliacijas ir analitinius skaičiavimus, postdoktorantas D. Quang To ir jo kolegos tyrė, kaip magnons sklinda, kai vienas mėginio kraštas yra kaitinamas labiau nei kitas, sukuriant terminį gradientą, kuris stumia magnonus nuo karštų zonų link šaltų. Tokia termoaktyvinė magnonų transporto kontrolė yra viena iš eksperimentinių prieigų, leidžiančių inicijuoti ir manipuliuoti spinų bangomis be tiesioginio magnetinio lauko. Be to, tyrėjai modeliavo magnono orbitalinį kampinį momentą — tai yra bangos cirkulinio judėjimo komponentas — ir kaip ši orbitalinė dalis sąveikauja su atomo orbitomis bei kristaliniu gardeliu.
Elektrinė polarizacija iš orbitalinio judėjimo
Komandos matematiniai rezultatai rodo, kad judančių magnonų orbitalinis kampinis momentas gali sąveikauti su medžiagos atomų orbitalėmis ir kristaliniu režimu taip, kad susidaro maža, bet eksperimentaliai matoma elektrinė polarizacija. Kitais žodžiais tariant, magnonų srovė gali generuoti įtampą — tai suteikia tiesioginį elektroninį pėdsaką anksčiau sunkiai aptinkamoms spinų bangoms antiferromagnetinėse medžiagose. Tokia elektrinė reakcija leidžia interpretuoti magnonų dinaminius efektus tradicinėse elektrinėse matavimų grandinėse, atveriant galimybę sukurti detektorius ir valdymo elementus, kurie reaguotų į spinų bangų srautus.
Kodėl tai svarbu lustams ir skaičiavimams
Atrastas galimas elektrinis signalo gavimas iš magnonų suteikia dvi reikšmingas galimybes pramonės ir mokslininkų bendruomenei. Pirma, tai suteikia praktišką nuskaitymo (readout) priemonę: inžinieriai galėtų aptikti magnoninę informaciją elektriniais matavimo grandiniais vietoje įprastų, dažnai masyvių magnetinių zondų ar SPM (scanning probe microscope) metodų. Toks elektrinis nuskaitymas leistų lengviau integruoti magnonus į esamas elektronines platformas ir spartintuvus, kad būtų pasiekta didesnė matavimo retencija ir mažesnis aukštos rezoliucijos matavimo triukšmas.
Antra, magnonus būtų galima kryptiškai nukreipti arba moduliuoti taikant išorinius elektrinius laukus — įskaitant šviesos elektrinius laukus — taip realizuojant elektroninį valdymą spinų bangų kanalams. Jei informacija judėtų per spinų bangas vietoje elektronų srautų, įrenginiai galėtų veikti teraherco dažnių diapazone ir sunaudoti žymiai mažiau energijos, o tai reiškia galimą sprendimą šilumos ir laidų sudarytoms kliūtims aukštos našumo kompiuterijoje. Tokiu būdu magnonika ir spintronika siūlo alternatyvą tradicinėms metalinėms jungtims bei laidams, ypač kai problema yra šiluminis valdymas ir energijos nuostoliai didelio tankio grandinėse.
„Mūsų teorinis modelis suteikia bendruomenei prognozuojamą įrankį medžiagų ir įrenginių dizainui, kurie remiasi magnonų transportu,“ sakė D. Quang To. „Galimybė naudoti šviesos elektrinį lauką magnonams stumti arba juos aptikti atveria daug eksperimentinių krypčių ir potencialiai supaprastina integraciją su fotoniniais elementais.“ Tokie elektriniai ir fotoniniai valdymo metodai galėtų tapti kertiniais komponentais hibridinėse architektūrose, kur spintronika derinama su fotonika ir tradicine mikroelektronika.
Eksperimento gairės ir techninės kliūtys
Šis darbas, išspausdintas žurnale Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), yra teorinis, tačiau nedelsiant pritaikomas praktikoje. Delavero komanda jau vykdo eksperimentus patikrinti savo prognozes. Pagrindiniai eksperimentiniai etapai apima prognozuotų įtampų matavimą plonuose antiferromagnetinių sluoksnių filmuose, magnonų srauto valdymo demonstravimą išoriniais elektriniais laukais, ir šviesos orbitalinio kampinio momento sąsajos su spinų bangų dinamika nustatymą. Kiekvienas iš šių žingsnių pareikalaus specializuotos įrangos: mažo triukšmo elektrostatinių matavimų grandinių, itin plonų augimo technikų ir tikslaus šiluminio valdymo sample’ams.
Vis dėlto yra svarbių iššūkių. Generuojamos įtampos nuo magnonų bus itin mažos ir reikalaujančios silpnųjų signalų aptikimo sistemų bei atidus triukšmo slopinimo. Medžiagų inžinerija čia yra esminė: ne visos antiferromagnetinės medžiagos parodys vienodą susiejimo stiprumą tarp magnonų orbitalinio judėjimo ir atominių orbitalių, todėl reikalingas medžiagų paieškos ir optimizacijos etapas. Optimizuoti sluoksnių storį, kristalinį defektų kiekį, sąsajų (interface) savybes ir spin-orbitinį sąveikos stiprumą bus svarbu norint pasiekti pakankamą signalo lygį ir reprodukuojamumą pramoninėms aplikacijoms. Jei šie eksperimentiniai iššūkiai bus įveikti, gali būti sukurti lustų architektūros, kurias tradicinės varinės jungtys iš dalies pakeis magnoninėmis jungtimis, sumažinant energijos vartojimą ir didinant darbo dažnį.
Susijusios technologijos ir platesnis poveikis
Informacijos perdavimas per magnonus dera į platesnę tendenciją link hibridinių spintronikos ir fotonikos sprendimų. Potencialios naudos apima itin greitus duomenų ryšius luste, mažesnės galios atminties ir logikos elementus, bei naujus jutiklius, kurie derina magnetinį ir elektrinį nuskaitymą. Integravus magnoninius kanalus su esamais puslaidininkinių gamybos procesais, galima paspartinti kritines taikomąsias sritis — duomenų centrus, mobiliuosius prietaisus ir specializuotus procesorius dirbtiniam intelektui bei aukštos spartos skaičiavimams.
Be to, magnonų ir antiferromagnetinių medžiagų sinergija gali atverti naujus dizaino principus, kuriuose informacija koduojama ne tik pagal amplitudę ar fazę, bet ir pagal orbitalinį kampinį momentą, poliarizaciją ir kitus kvantinius laipsnius. Tokia daugiasluoksnė informacijos kodavimo schema leistų kurti daug efektyvesnius kanalus su didesne informacijos tankio galimybe, mažesne energetine kaina ir geresniu tolerancija šiluminiams trikdžiams.
Eksperto įžvalgos
„Šis darbas elegantiškai sujungia dažnai atskiras sritis: spinų dinamiką ir matuojamą elektroniką,“ sakė dr. Elena Marquez, medžiagų fizikė ir pramonės konsultantė (fiktyvus komentaras). „Jei eksperimentai patvirtins prognozuotas įtampas ir valdymo kelių galimybes, magnoniniai grandynai galėtų tapti realiu papildymu elektronais grindžiamoms konstrukcijoms — ypač ten, kur šiluma yra ribojantis veiksnys.“ Tokia nuomonė pabrėžia potencialią komercinę ir technologinę vertę, kurią gali atnešti magnoninė spintronika.
Prof. Doty ir jo bendradarbiai įspėja, kad kelias nuo teorijos iki komercinių įrenginių bus daugiafazis ir laiko imlus. Vis dėlto atradimas, kad magnionai gali sukelti elektrinę polarizaciją, pakeičia antiferromagnetines medžiagas iš egzotiškų laboratorinių objektų į praktiškus kandidatus naujos kartos jungtims ir komponentams. Tokia paradigmų kaita gali paskatinti naują tyrimų srautą, orientuotą į medžiagų paiešką, įrenginių inžineriją ir integracinius sprendimus, reikalingus komerciniam pritaikymui.
Kol laboratoriniai bandymai tęsis, mokslininkai visame pasaulyje stebės progreso žingsnius: gebėjimas aptikti ir valdyti teraherco spinų bangas elektriniais signalais būtų reikšmingas žingsnis link greitesnės, taupesnės skaičiavimo aparatūros. Tokia technologinė pažanga galėtų pakeisti ne tik lustų architektūras, bet ir duomenų centro energetinį balansą, mobiliųjų prietaisų baterijų efektyvumą ir našumą specializuotuose skaičiavimo uždaviniuose, įskaitant dirbtinį intelektą ir mokslinius modeliavimus.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą