Magnonové nanvlákna otevírají cestu k novému druhu počítačů

Levá tabule ukazuje snímek vedený pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu o šířce 50 nm YIG vlnovodu. Anténa umožňuje vzbudit spinové vlny, které se poté šíří podél proužku. Pravá tabule zobrazuje zvětšený výřez vlnovodu ve srovnání s velikostí koronaviru. (Zdroj: TUK / Nano Structuring Center)

Magnetismus nabízí na jedné straně nové možnosti pro vývoj výkonnějších a energeticky účinnějších počítačů, na druhé straně je realizace magnetického výpočtu na nanoskopické úrovni náročným úkolem. O zásadním pokroku v oblasti výpočtů s ultranízkou spotřebou energie pomocí magnetických vln informuje vědecký tým z Kaiserslauternu, Jeny a Vídně v časopise Nano Letters.

Lokální narušení magnetické uspořádanosti magnetu se může šířit vlnami přes materiál. Tyto vlny jsou označovány jako spinové vlny a příslušné kvazičástice jako magnony. Vědci z Technické univerzity Kaiserslautern, od Innovent e.V. z Jeny a z Vídeňské univerzity jsou známí svou odborností v oblasti „Magnoniky“. Zde jsou magnony využívány pro vývoj nových typů počítačů, které by mohly doplnit dnešní běžné procesory založené na elektronech.

„Nová generace počítačů s magnony by mohla být výkonnější a především spotřebovávat méně energie. Důležitou podmínkou je, že dokážeme vyrábět takzvané monomodové vlnovody, které nám umožní využívat pokročilé vlnové signální schémata,“ říká docent Philipp Pirro, jeden z vedoucích vědců projektu. „K tomu musíme posunout rozměry našich struktur do nanometrového rozsahu. Vývoj takových datových vedení například otevírá cestu k vývoji neuromorfních počítačových systémů, které se inspirují funkcí lidského mozku.“

Avšak škálování technologie magnoni na nanoskopickou úroveň představuje výzvu: „Velmi slibným materiálem pro magnetické aplikace je yttrium-železitan (YIG). YIG je druh 'cenného magnetického materiálu', protože magnony v něm přetrvávají asi stokrát déle než v jiných materiálech,“ říká vedoucí projektu, profesor Andrii Chumak z Vídně. „Ale všechno má svou cenu: YIG je velmi složitý a těžko zpracovatelný, když se snažíme vyrábět z něj miniaturní struktury. Proto byly YIG struktury desetiletí velké milimetry, a teprve nedávno se nám podařilo zmenšit je na 50 nanometrů, což je přibližně 100 000krát menší.“

Na Nano Structuring Center na Technické univerzitě Kaiserslautern byla vyvinuta speciální nová technologie, při níž jsou využívány YIG vrstvy pěstované zaměstnancem Dr. Carstenem Dubsem z Innovent e.V. z Jeny. Na této YIG vrstvě je nanesena tenká kovová vrstva, takzvaná maska, která odhalí většinu této vrstvy. Poté je vzorek ozářen silným proudem argonových iontů, který odstraní nechráněné části YIG vrstvy, zatímco materiál pod maskou zůstává nedotčen. Následně je kovová maska odstraněna, čímž vznikne 50 nm tenký pruh hotové YIG vrstvy.

„Klíčové pro úspěch celého procesu bylo najít správné materiály pro masku, zjistit, jakou musí mít tloušťku, a nastavit desítky různých parametrů, aby se zachovaly vlastnosti YIG vrstvy,“ říká Björn Heinz, hlavní autor studie. „Po několikaletých výzkumech jsme konečně našli vhodnou metodu, kombinaci chromových a titaniových vrstev. Šířka YIG struktury je asi tisíckrát menší než tloušťka lidského vlasu. Po úspěšné strukturní úpravě vědci nadále zkoumali šíření magnónů, aby ověřili, zda nanostrukturální YIG struktury zachovávají vynikající vlastnosti YIG vrstev.“

„Ukázali jsme, že proces strukturování má jen malý vliv na fantastické vlastnosti tohoto materiálu,“ říká Heinz. „Navíc jsme experimentálně prokázali, že magnony mohou efektivně přenášet informace na velké vzdálenosti v vedeních, jak bylo dříve teoreticky předpovězeno. Tyto výsledky představují významný krok ve vývoji magnonických obvodů a dokazují obecnou proveditelnost magnonové datové zpracování.“

Výzkum byl proveden v rámci ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), Sonderforschungsbereich SFB 173 Spin+X (P. Pirro) a DFG projektu DU 1427/2-1 (C. Dubs) a byl financován Landesforschungszentrum OPTIMAS.

Výsledky byly publikovány v časopise Nano Letters: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657