Simulace: Nový dvourozměrný obvod funguje s magnetickými kvantovými částicemi

Doktorka Qi Wang, hlavní autorka aktuální studie Foto: TUK/Koziel

Grafika ukazuje běžný obvod (vlevo) a magnonický obvod, který využívá dvourozměrné zapojení. Fotografie: AG Hillebrands

O smartphone, počítači nebo dialyzačním přístroji – žádné elektronické zařízení se neobejde bez čipu a jeho elektronických obvodů. Jednotlivé spínací prvky jsou často propojeny pomocí trojrozměrných takzvaných mostových konstrukcí. Na výkonnější variantě nyní pracují fyzici z Technické univerzity Kaiserslautern (TUK). Místo elektronů využívají určitých kvantových částic, které jsou magnony. V modelu poprvé ukázali, jak je možné pro tyto částice vést proudy v integrovaném magnonickém obvodu. Přitom spojují prvky pouze dvourozměrně. Studie byla zveřejněna v odborném časopise „Science Advances“.

Když americký inženýr Jack Kilby v 60. letech vyvinul integrovaný obvod, šlo o technickou revoluci: nejprve byl použit pouze v kalkulačkách, brzy však technika umožnila rychlý nástup počítačů, které od té doby využívají stále menší procesory. „Tyto obvody představují základ dnešní běžné elektroniky,“ říká docent Dr. Andrii Chumak, který na katedře magnetismu u profesora Dr. Burkarda Hillebranda na TUK ve fyzikálním oddělení zkoumá. Za své práce obdržel Kilby, nazývaný také otcem mikroprocesoru, v roce 2000 Nobelovu cenu za fyziku.

Na novou generaci obvodů pracují fyzici kolem Chumaka a jeho doktora Qi Wanga, který je prvním autorem aktuální studie. Používají při tom spinové vlny. „Ty mohou přenášet informace ve formě vlastního momentu hybnosti v magnetických materiálech,“ pokračuje Chumak. „Kvanta těchto vln jsou magnony.“ Ve srovnání s elektrony dokážou přenášet mnohem více informací, přitom spotřebovávají mnohem méně energie a vytvářejí méně tepla. To je činí například zajímavými pro rychlejší a výkonnější počítače.

Ve zveřejněné studii popisují vědci poprvé tzv. integrovaný magnonický obvod, ve kterém jsou informace přenášeny pomocí těchto částic. Stejně jako u běžných elektronických obvodů jsou zde nutné vodiče a takzvané křižovatky vodičů, které spojují jednotlivé spínací prvky. Ve své simulaci se jim podařilo vyvinout takovou křižovatku pro magnony. „Do našich výpočtů jsme zahrnuli jev, který je v fyzice již známý a v magnonice je poprvé použit,“ říká Wang. „Když jsou dva magnonové vodiče umístěny velmi blízko u sebe, vlny si jakoby spolu povídají, což znamená, že energie vln je přenášena z jednoho vodiče na druhý.“ V optice se to již delší dobu využívá například k přenosu informací mezi optickými vlákny (skleněnými vlákny).

To využívá také tým „Nano-Magnoniky“, který je součástí Hillebrandovy katedry spolu s Chumakem a Wangem, k propojení spínacích prvků na magnonickém čipu novým způsobem. Zvláštností je, že při křižovatkách vodičů nepoužívají trojrozměrnou mostovou konstrukci. U klasických obvodů je to nutné k zajištění toku elektronů mezi prvky. „U našeho obvodu používáme dvourozměrné ploché propojení, při kterém musí magnonyové vodiče ležet pouze těsně vedle sebe,“ říká Wang. Tento „kontakt“ nazývají vědci direkčním spojovačem. Pomocí tohoto modelu chtějí vědci nyní postavit první magnonický obvod.

Pro budoucí výrobu počítačových součástek by tyto nové obvody mohly například ušetřit materiál a tím i náklady. Navíc velikost simulovaných součástí je v nanometrovém rozsahu, což je srovnatelné s moderními elektronickými součástkami. Informace však u magnonyů mají mnohem vyšší hustotu.

Za své práce v oblasti magnonyů získal docent Chumak v roce 2016 ERC Starting Grant, jeden z nejvyšších výzkumných cen EU. Fyzik a jeho doktorand Wang pracují v Národním výzkumném centru pro optiku a materiálové vědy (OPTIMAS), které je financováno spolkovým státem Porýní-Falc.

Studie byla zveřejněna v prestižním odborném časopise Science Advances: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler“ DOI: 10.1126/sciadv.1701517