Magnon nanószálak utat nyitnak egy új típusú számítógépek felé

A bal oldali tábla egy 50 nm széles YIG-hullámvezető rácsos elektronmikroszkóppal készült felvételét mutatja. Az antenna lehetővé teszi a spinhullámok gerjesztését, amelyek ezután a sáv mentén terjednek. A jobb oldali tábla egy nagyított kivágást mutat a hullámvezetőből a koronavírus méretéhez képest. (Forrás: TUK / Nano Structuring Center)

A mágnesesség egyrészt új lehetőségeket kínál erősebb és energiatakarékosabb számítógépek fejlesztéséhez, másrészt a mágneses számítás nanoszinten való megvalósítása kihívást jelentő feladat. Egy Kaiserslauternből, Jenából és Bécsből származó kutatócsoport a Nano Letters című folyóiratban számol be egy döntő lépésről az ultralow energiafogyasztású mágneses hullámokkal végzett számítások területén.

Helyi zavar a mágneses rendben egy mágnesben hullámszerűen terjedhet át egy anyagon. Ezeket a hullámokat spinhullámoknak, a hozzájuk tartozó kvasi-partikulumokat pedig magnonoknak nevezik. A Kaiserslauterni Műszaki Egyetem, az Innovent e.V. Jenából és a Bécsi Egyetem szakértői az „Magnonika” kutatási területén ismertek. Itt a magnonokat új típusú számítógéptípusok fejlesztésére használják, amelyek kiegészíthetik a ma általánosan használt elektronalapú processzorokat.

„Egy új generációs számítógép magnonokkal lehet erősebb, és főként kevesebb energiát fogyaszt. Egy fontos feltétel, hogy képesek legyünk úgynevezett monomódusú hullámtani vezetőket gyártani, amelyek lehetővé teszik a fejlett hullám-alapú jelfeldolgozási sémák alkalmazását” – mondja Juniorprofesszor Philipp Pirro, a projekt egyik vezető tudósa. „Ehhez a szerkezetek méreteit nanométeres tartományba kell csökkentenünk. Az ilyen adatvezetékek fejlesztése például lehetővé teszi a neuromorf számítógépes rendszerek kifejlesztését, amelyek az emberi agy működését követik.”

A magnónika technológia nanoszintre való skálázása azonban kihívást jelent: „Egy nagyon ígéretes anyag a mágneses alkalmazásokhoz az yttrium-vas-gránát (YIG). A YIG egyfajta 'nemes mágneses anyag', mivel a magnonok benne körülbelül százszor hosszabb ideig maradnak, mint más anyagokban” – mondja a projekt vezetője, Andrii Chumak professzor Bécsi Egyetemről. „De mindennek megvan az ára: a YIG nagyon összetett és nehezen kezelhető, ha apró struktúrákat akarunk belőle készíteni. Ezért a YIG struktúrák évtizedekig milliméternyi méretűek voltak, és csak most sikerült 50 nanométeres méretre csökkenteni, ami körülbelül 100 000-szer kisebb.”

Ehhez a Kaiserslauterni Műszaki Egyetem Nano Struktúrázási Központjában kifejlesztettek egy speciális új technológiát, amelyben az Innovent e.V. Jenából származó Dr. Carsten Dubs által tenyésztett YIG rétegeket használják. Ezen YIG rétegre egy vékony fémréteget, úgynevezett maszkolást visznek fel, amely a réteg legnagyobb részét szabadon hagyja. Ezután a mintát erős argon-ion árammal bombázzák, ami eltávolítja a védetlen részeket a YIG rétegből, miközben a maszk alatt lévő anyag sértetlen marad. Ezután eltávolítják a fémmaskot, így egy 50 nm vékony szakasz marad a kész YIG rétegből.

„A teljes folyamat sikerességéhez kulcsfontosságú volt a megfelelő anyagok megtalálása a maszkhoz, annak vastagságának meghatározása, és több tucat különböző paraméter beállítása a YIG réteg tulajdonságainak eléréséhez” – mondja Björn Heinz, a tanulmány fő szerzője. „Évnyi kutatás után végre megtaláltuk a megfelelő módszert, egy krom- és titánrétegek kombinációját. A YIG struktúrájának szélessége körülbelül ezerszer kisebb, mint egy emberi haj vastagsága. A sikeres struktúrálás után a tudósok tovább vizsgálták a magnonok terjedését, hogy ellenőrizzék, megőrzik-e a nanoméretű YIG struktúrák a YIG anyag kiváló tulajdonságait.”

„Kimutattuk, hogy a struktúrálási folyamat csak kis mértékben befolyásolta ennek az anyagnak a csodálatos tulajdonságait” – mondja Heinz. „Ezen felül kísérletileg igazoltuk, hogy a magnonok hatékonyan képesek információkat szállítani nagy távolságokra a vezetékekben, ahogyan azt korábban elméletben állították. Ezek az eredmények jelentős lépést jelentenek a magnonikus kapcsolókörök fejlesztésében, és bizonyítják a magnon alapú adatfeldolgozás általános megvalósíthatóságát.”

A kutatás az ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), a SFB 173 Spin+X (P. Pirro) különleges kutatási terület és a DFG DU 1427/2-1 projekt keretében készült, és a Landesforschungszentrum OPTIMAS támogatásával valósult meg.

A eredményeket a Nano Letters című folyóiratban tették közzé: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657