Energiahatékonyabb eszközök a spintechnológia révén

Juniorprofesszor Dr. Philipp Pirro (linkek) és Dr. Mathias Weiler professzor. (Nézet/Voss TUK)

Okostelefon, okosóra vagy egy normál számítógép – az elektronikus eszközök sok energiát fogyasztanak. Az új technológiák, amelyek a spinkutatásnak köszönhetők, segíthetnek a fogyasztás csökkentésében, például azáltal, hogy beépítik őket a szokásos félvezető- és mikrochipbe. A Kaiserslauterni Műszaki Egyetemen (TUK) két új, az Európai Unió (EU) által támogatott kutatási projekt foglalkozik ezzel a témával. Az egyik a TUK-nál koordinálva van, és az EU 3,3 millió euróval támogatja, ebből 525 000 euró Kaiserslauternbe kerül. A másik projekt Belgiumban zajlik. Az EU mintegy hárommillió eurót biztosít erre, ebből 310 000 euró a TUK-nál végzett munkára fordítódik.

Az elektronikus eszközök energiahatékonyabbá tétele érdekében a kutatás a spinhullámok és kvantumrészecskéik, a magnónok felhasználásán dolgozik. Ezek több információt képesek szállítani, mint az elektronok, miközben sokkal kevesebb energiát fogyasztanak. A spinhullámok a mágneses momentumok kollektív gerjesztése egy mágneses anyagban. A spin a kvantumrészecske, például egy elektron vagy neutron saját forgási impulzusa. Ez az alapja minden mágneses jelenségnek.

A két EU által támogatott projekt célja, hogy a spin- és magnóni kutatás eredményeit alkalmazásba ültessék. A „Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing” (M&MEMS) projektben a spintechnológiát az meglévő elektronikus eszközökre szeretnék alkalmassá tenni.

A csapat a mágneses rendszerek és a mikromechanikus rendszerek, úgynevezett MEMS-chipsek kombinációjára alapoz. A MEMS a „micro-electro-mechanical systems” rövidítése. „Ezek például mikroszkopikus motorok vagy gyorsulásérzékelők, amelyek többek között okostelefonokban is megtalálhatók” – mondja a projektkoordinátor, Juniorprofesszor Philipp Pirro, aki a TUK-nál a mágnesesség területén kutat. „A magnóniás rendszerek mágneses mezőkkel irányíthatók. Ezek általában elektromágnesek által jönnek létre, és eddig áramra van szükség hozzájuk.” – egészíti ki kollégája, Prof. Dr. Mathias Weiler, aki a TUK-nál alkalmazott spinjelenségekkel foglalkozik. „Ez jelenleg még nem túl hatékony.”

Itt jönnek képbe ezek a mikromechanikus rendszerek. „Ebben kis állandómágneseket akarunk elhelyezni, hogy mágneses teret hozzunk létre” – mondja Weiler. „Ha ez megtörtént, több energia nem szükséges. A mágneses tér erősségét úgy lehet szabályozni, hogy közelebb vagy távolabb helyezzük a magnóniás elemtől. Így az energiaigény vagy fogyasztás nagyon alacsony lehet.” – mondja Pirro példaként, „Ez különösen mobil eszközök esetében érdekes.”

A Kaiserslauterni Műszaki Egyetem (TUK) által koordinált projektben nyolc partner vesz részt öt EU-államból. Többek között olyan egyetemek, mint a müncheni Technische Universität vagy a milánói Politecnico di Milano, valamint vezető technológiai vállalatok, például a Nokia és a Thales. A TUK-nál Pirro és Weiler Professzor Dr. Burkard Hillebrands támogatásával dolgoznak, aki a mágnesesség munkacsoport vezetője.

A második támogatott projekt, a „Computation Systems Based on Hybrid Spin-wave–CMOS Integrated Architectures” (SPIDER) szintén magnóniás elemekkel foglalkozik. „Olyan rendszert szeretnénk építeni, amelyben a magnónia csatlakozik egy szabványos számítógéphez, és beépítik a szokásos félvezetőelemek közé” – magyarázza Pirro. A kutatócsoport a „Complementary metal-oxide-semiconductor”, röviden CMOS technológiára összpontosít. Ezek minden általános számítógépben megtalálhatók. „Ha sikerül a magnóniát kompatibilissé tenni a már meglévő technikákkal és chipekkel, alacsonyabb lesz a belépési küszöb a magnónia alkalmazásába.”

A projektben a TUK mellett négy másik európai partner is részt vesz. Koordinálja azokat az IMEC, a belga Löwenben található Interuniversity Microelectronics Centre.

A két projekt munkálatai az új LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) kutatóépületben zajlanak majd a TUK campusán, ahol fizikusok, kémikusok és mérnökök közösen kutatják a spinjelenségeket. Nemrégiben Weiler és Pirro professzor is ERC támogatást kapott az Európai Kutatási Tanácstól (European Research Council, ERC) a spinkutatás területén. Az ERC támogatásai a világ egyik legtekintélyesebb kutatási finanszírozásai közé tartoznak.

A projektek alapjait a két fizikus csapata olyan munkák tették le, amelyek a tartomány által támogatott Optikai és Anyagtudományi Központban (OPTIMAS) és a „Spin + X” különleges kutatási területen születtek, amelyet a Német Kutatási Közösség finanszíroz.

A két projekt keretében tudományos pozíciók is nyílnak majd. Az érdeklődők, megfelelő képesítéssel, szívesen jelentkezzenek.

Kérdések esetén:

Juniorprofesszor Dr. Philipp Pirro
Magnetizmus tanszék / Kaiserslautern Műszaki Egyetem
Telefon: 0631 205 4092
E-mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Prof. Dr. Mathias Weiler
Alkalmazott spinjelenségek / Kaiserslautern Műszaki Egyetem
Telefon: 0631 205 4099
E-mail: weiler(at)physik.uni-kl.de