Magnonische Nanofasern banen de weg naar een nieuw soort computers

Het linker bord toont een opname van een 50 nm brede YIG-gids, gegenereerd met een rasterelektronenmicroscoop. De antenne maakt het mogelijk om spingolven te activeren, die zich vervolgens langs de strook verspreiden. Het rechter bord toont een vergrote uitsnede van de gids in vergelijking met de grootte van het coronavirus. (Bron: TUK / Nano Structuring Center)

Magnetisme biedt enerzijds nieuwe mogelijkheden om krachtigere en energie-efficiëntere computers te ontwikkelen, anderzijds is de realisatie van magnetisch rekenen op de nanometerschaal een uitdagende taak. Over een belangrijke vooruitgang op het gebied van berekeningen met ultralaag energieverbruik via magnetische golven rapporteert een onderzoeksteam uit Kaiserslautern, Jena en Wenen in het tijdschrift Nano Letters.

Een lokale verstoring in de magnetische orde van een magneet kan zich golfvormig door een materiaal voortplanten. Deze golven worden spingolven genoemd en de bijbehorende quasi-deeltjes worden magnonen genoemd. Wetenschappers van de Technische Universiteit Kaiserslautern, van Innovent e.V. uit Jena en de Universiteit Wenen staan bekend om hun expertise op het onderzoeksgebied 'Magnonie'. Hier worden magnonen ingezet voor de ontwikkeling van nieuwe typen computers die mogelijk de gebruikelijke, op elektronen gebaseerde processoren kunnen aanvullen.

„Een nieuwe computergeneratie met magnonen zou krachtiger kunnen zijn en vooral minder energie verbruiken. Een belangrijke voorwaarde is dat we in staat zijn zogenaamde monomodale golfgeleiders te produceren, die ons in staat stellen geavanceerde golflijn-gebaseerde signaalverwerking schema's te gebruiken“, zegt juniorprofessor Philipp Pirro, een van de leidende wetenschappers van het project. „Daarvoor moeten de afmetingen van onze structuren naar de nanometer-schaal worden gebracht. De ontwikkeling van dergelijke dataleidingen opent bijvoorbeeld de weg naar de ontwikkeling van neuromorfe computersystemen die zich richten op de werking van het menselijk brein."

De schaalvergroting van de magnonie-technologie naar de nanometerschaal is echter een uitdaging: „Een zeer veelbelovend materiaal voor magnetische toepassingen is yttrium-ijzer-granaat (YIG). YIG is een soort 'kostbaar magnetisch materiaal', omdat magnonen daarin ongeveer honderd keer langer overleven dan in andere materialen“, zegt de projectleider, professor Andrii Chumak van de Universiteit Wenen. „Maar alles heeft zijn prijs: YIG is zeer complex en moeilijk te hanteren wanneer men probeert miniatuurstructuren ervan te maken. Daarom waren YIG-structuren decennialang millimeter-groot, en pas nu is het ons gelukt om tot 50 nanometer te gaan, wat ongeveer 100.000 keer kleiner is.“

Hiervoor is aan het Nano Structuring Center van de Technische Universiteit Kaiserslautern een speciale nieuwe technologie ontwikkeld, waarbij de door medewerker Dr. Carsten Dubs van Innovent e.V. uit Jena gekweekte YIG-lagen worden gebruikt. Op deze YIG-laag wordt een dunne metalen laag, een zogenaamde maskering, aangebracht die het grootste deel van deze laag vrijlaat. Vervolgens wordt het monster beschoten met een sterke argon-ionenstroom, die de onbeschermde delen van de YIG-laag verwijdert, terwijl het materiaal onder de maskering onaangetast blijft. Daarna wordt de metalen maskering verwijderd, waarbij een 50 nm dunne strook van de voltooide YIG-laag tevoorschijn komt.

„De cruciale factor voor het succes van het hele proces was het vinden van de juiste materialen voor de maskering, het bepalen van de benodigde dikte en het afstellen van tientallen verschillende parameters om de eigenschappen van een YIG-laag te verkrijgen“, zegt Björn Heinz, de hoofdauteur van de publicatie. „Na jaren van onderzoek hebben we eindelijk de juiste methode gevonden, een combinatie van chroom- en titaniumlagen. De breedte van de YIG-structuur is ongeveer duizend keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Na de succesvolle structuurvorming onderzochten de wetenschappers verder de voortplanting van magnonen om te controleren of de nanogrote YIG-structuren de superieure materiaaleigenschappen van de YIG-lagen behouden.

„We konden aantonen dat het structuurvormingsproces slechts een geringe invloed had op de fantastische eigenschappen van dit materiaal“, zegt Heinz. „Bovendien konden we experimenteel bevestigen dat magnonen informatie efficiënt over grote afstanden in de geleiders kunnen transporteren, zoals eerder in theorie werd beweerd. Deze resultaten vormen een belangrijke stap in de ontwikkeling van magnonschakelingen en bewijzen de algemene haalbaarheid van magnon-gebaseerde gegevensverwerking.“

Het onderzoek werd uitgevoerd in het kader van de ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), de Sonderforschungsbereich SFB 173 Spin+X (P. Pirro) en het DFG-project DU 1427/2-1 (C. Dubs) en werd gefinancierd door het Landesforschungszentrum OPTIMAS.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657