Energeticky úspornější zařízení díky technologiím spintechnologie

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro (odkazy) a profesor Dr. Mathias Weiler. (Zobrazit/Voss TUK)

O chytrých telefonech, chytrých hodinkách nebo běžných počítačích – elektronická zařízení spotřebovávají hodně energie. Nové technologie, které umožnila spinová výzkum, mohou pomoci snížit spotřebu, například integrací do běžných polovodičových a mikročipů. Na TU Kaiserslautern (TUK) se dvě nová výzkumná projekty financované Evropskou unií (EU) zabývají touto tématikou. Jeden je koordinován na TUK a je financován EU částkou 3,3 milionu eur, přičemž 525 000 eur putuje do Kaiserslauternu. Druhý projekt vede v Belgii. EU na něj vyčlenila přibližně tři miliony eur, z nichž 310 000 eur je určeno na práce na TUK.

Aby bylo elektronické zařízení energeticky účinnější, výzkum se zaměřuje na využití spinových vln a jejich kvantových částic, magnónů. Ty mohou přenášet více informací než elektrony a zároveň spotřebovat výrazně méně energie. Spinové vlny jsou kolektivní excitace magnetických momentů v magnetickém materiálu. Spin je vlastní moment hybnosti kvantové částice, například elektronu nebo neutronu. Je základem všech magnetických jevů.

V obou projektech financovaných EU jde o to, přenést poznatky ze spinového a magnonického výzkumu do praxe. V projektu „Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing“ (M&MEMS) má být spinová technologie přizpůsobena stávajícím elektronickým zařízením.

Tým se spoléhá na kombinaci magnónických systémů s mikromechanickými systémy, takzvanými MEMS čipy. MEMS znamená „mikro-elektro-mechanické systémy“. „Jde například o mikroskopické motory nebo akcelerometry, které se vyskytují například v chytrých telefonech,“ říká koordinátor projektu, docent Philipp Pirro, který na TUK zkoumá magnetismus. „Magnonické systémy lze ovládat pomocí magnetických polí. Ta jsou většinou generována elektromagnety, ale k tomu je zatím potřeba elektrická energie.“ Dodává jeho kolega, profesor Dr. Mathias Weiler, který na TUK zkoumá aplikované spinové jevy: „To je zatím neefektivní.“

Zde přicházejí na scénu tyto mikromechanické systémy. „Chceme do nich umístit malé permanentní magnety, aby vytvářely magnetické pole,“ pokračuje Weiler. „Jakmile je to hotové, není potřeba žádná další energie.“ Intenzitu magnetického pole lze řídit tím, že magnet přiblížíme nebo oddálíme od magnónového prvku. Energie tak bude velmi nízká nebo žádná. „To je zvlášť zajímavé pro mobilní zařízení,“ uvádí Pirro jako příklad.

Na projektu, který koordinuje Technická univerzita Kaiserslautern (TUK), se podílí osm partnerů z pěti zemí EU. Patří mezi ně univerzity jako TU Mnichov a Politecnico di Milano, stejně jako přední technologické firmy v oblasti vysokofrekvenční komunikace, například Nokia a Thales. Na TUK jsou Pirro a Weiler podporováni profesorem Dr. Burkardem Hillebrandsem, vedoucím skupiny magnetismu.

Ve druhém financovaném projektu „Systémy výpočtů založené na hybridních spinových vlnách – CMOS integrované architektury“ (SPIDER) jde opět o magnónové prvky. „Chceme postavit systém, ve kterém bude magnónika připojena k běžnému počítači a integrována do běžných polovodičových prvků,“ vysvětluje Pirro. Zaměřuje se na tzv. Complementary metal-oxide-semiconductor, zkráceně CMOS. Ty se vyskytují ve všech běžných počítačích. „Pokud se nám podaří udělat magnóniku kompatibilní s technikami a čipy, které již existují, snížíme tak vstupní práh pro její využití.“

Na projektu se kromě TUK a Fraunhofer-Gesellschaft podílejí ještě čtyři další evropští partneři. Koordinaci zajišťuje Interuniverzitní centrum mikroelektroniky (IMEC) v belgickém Lovaně.

Práce na obou projektech se budou odehrávat v novém výzkumném centru LASE (Laboratoř pokročilého spinového inženýrství) na kampusu TUK, kde vědci z fyziky, chemie a inženýrských oborů společně zkoumají spinové jevy. Nedávno obdrželi profesor Weiler a docent Pirro ERC grant od Evropské rady pro výzkum (European Research Council, ERC), který je jedním z nejprestižnějších financování výzkumu na světě.

Základy těchto projektů položily týmy kolem obou fyziků například prací v centru OPTIMAS, které je financováno krajem, a v rámci speciálního výzkumného centra „Spin + X“, podporovaného Německou výzkumnou společností.

V rámci nových projektů vzniknou také vědecké pozice. Zájemci s odpovídající kvalifikací jsou vítáni k přihlášení.

Otázky zodpoví:

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Professor Dr. Mathias Weiler
Aplikované spinové jevy / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4099
E-mail: weiler(at)physik.uni-kl.de