Szimuláció: Újszerű két-dimenziós áramkör működik mágneses kvantum részecskékkel

Doktorand Qi Wang, az aktuális tanulmány első szerzője Fotó: TUK/Koziel

A grafikon egy hagyományos kapcsolási áramkört (balra) és egy magnónikus kapcsolási áramkört mutat, amely kétirányú vezeték nélküli hálózattal működik. Fotó: AG Hillebrands

Okostelefon, számítógép vagy dialízisgép – egy elektronikus eszköz sem működik chip és elektronikus kapcsolási áramkörök nélkül. Az egyes kapcsolóelemek gyakran háromdimenziós úgynevezett hídstruktúrákkal vannak összekötve. Egy hatékonyabb változaton jelenleg a Kaiserslauterni Műszaki Egyetemen (TUK) dolgoznak a fizikusok. Elektronok helyett bizonyos kvantumrészecskéket, magnóneket használnak. A modellben elsőként mutatták be, hogyan lehetséges az áramok átvezetése ezekben az integrált magnónes kapcsolási körökben. Ebben csak két dimenzióban kapcsolják össze az elemeket. A tanulmány a „Science Advances” szakfolyóiratban jelent meg.

Amikor az amerikai mérnök Jack Kilby az 1960-as években kifejlesztette az integrált áramkört, ez egy technológiai forradalomnak felelt meg: kezdetben csak egy zsebszámológépben használták, de néhány év múlva lehetővé tette a számítógépek diadalmenetét, amelyek azóta egyre kisebb processzorokkal működnek. „Ezek az áramkörök képezik napjaink elektronikai alapját” – mondja Dr. Andrii Chumak, a fiatal docens, aki a mágnesesség tanszékén dolgozik a professzor Dr. Burkard Hillebrands irányításával a TUK-n. Kilby, akit a mikrochip atyjaként is emlegetnek, 2000-ben fizikai Nobel-díjat kapott munkáiért.

Chumak és doktori hallgatója, Qi Wang, a jelenlegi tanulmány első szerzője, egy új generációs kapcsolási körön dolgoznak. Ezek a fizikusok spinhullámokat használnak. „Ezek képesek információt szállítani a mágneses anyagokban az önforgatimpulzus formájában” – folytatja Chumak. „Ezeknek a hullámoknak kvantumrészecskéi magnónok.” Elektronokhoz képest sokkal több információt képesek szállítani, kevesebb energiát fogyasztanak, és kevesebb hőt termelnek. Ezért például gyorsabb és erősebb számítógépekhez lehetnek érdekesek.

A most megjelent tanulmányban a tudósok elsőként írják le az úgynevezett integrált magnónes kapcsolási köröket, amelyekben ezek a részecskék továbbítják az információkat. Ahogy a hagyományos elektronikus kapcsolási köröknél, itt is vezetékek és ún. vezetékkeresztezések szükségesek az egyes elemek összekötéséhez. Szimulációjukban sikerült ilyen keresztezést kifejleszteni magnónok számára. „Ehhez egy olyan jelenséget vettünk figyelembe, amely már ismert a fizikában, és most kerül először alkalmazásra a magnóniában” – mondja Wang. „Amikor két magnónervezet nagyon közel helyezkedik el egymáshoz, a hullámok bizonyos értelemben kommunikálnak egymással, azaz az egyik vezeték energiája átadódik a másiknak.” A fénytechnikában már régóta használják ezt, például információátvitelre fényvezetők (üvegoptikák) között.

Ezt a „Nano-Magnonika” csapat, amely Hillebrands professzor tanszékének része Chumak és Wang vezetésével, kihasználva alkalmazza az új kapcsolási módszert, hogy a magnónes chipen lévő kapcsolóelemeket egy új módon vezessék be. A különlegesség az, hogy a vezetékkeresztezéseknél nem alkalmaznak háromdimenziós hídstruktúrát. Klasszikus kapcsolási köröknél ez szükséges az elektronáramlás biztosításához több elem között. „A mi kapcsolási körünknél két dimenziós, lapos vezetékeket használunk, ahol a magnónervezet csak egymás mellett kell, hogy legyen” – mondja Wang. Ezt a „kontaktpontot” a kutatók irányított kónusznak nevezik. A modell segítségével a kutatók most egy első magnónes kapcsolási kört szeretnének megépíteni.

A jövőbeli számítógépalkatrészek gyártásában például ezek az újszerű kapcsolási körök anyag- és költségmegtakarítást eredményeznének. Emellett a szimulált alkatrészek mérete nanométeres tartományban van, ami összevethető a modern elektronikus alkatrészekével. Azonban a magnónok által szállított információ sűrűsége sokszorosa a hagyományos elektronikus részecskékének.

Juniorprofessor Chumak 2016-ban az ERC Starting Grant támogatását kapta, amely az EU egyik legmagasabb kutatási díja, a magnónok területén végzett munkáiért. A fizikus és doktori hallgatója, Wang a Rajna-vidéki Optikai és Anyagtudományi Kutatóközpontban (OPTIMAS) dolgozik, amelyet Rajna-vidék-Pfalz tartomány finanszíroz.

A tanulmány a neves „Science Advances” szakfolyóiratban jelent meg: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler” DOI: 10.1126/sciadv.1701517