Simulatie: Nieuwe tweedimensionale schakeling werkt met magnetische kwantumdeeltjes

Promovendus Qi Wang, eerste auteur van de huidige studie
Foto: TUK/Koziel

De grafiek toont een conventioneel schakeling (links) en een magnonische schakeling, die gebruikmaakt van een tweedimensionale bedrading. Foto: AG Hillebrands

Of het nu smartphone, rekenmachine of dialyseapparaat is – geen enkel elektronisch apparaat komt zonder chip en zijn elektronische schakelingen. De individuele schakelingselementen worden hierbij vaak door driedimensionale zogenaamde brugconstructies verbonden. Aan een krachtigere variant werken momenteel fysici aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK). In plaats van elektronen gebruiken ze bepaalde kwantondeeltjes, de magnonen. In het model hebben ze voor het eerst aangetoond hoe stroomstromen voor deze deeltjes mogelijk zijn in een geïntegreerd magnonisch schakeling. Daarbij verbinden ze de elementen slechts tweedimensionaal. De studie werd gepubliceerd in het vakblad "Science Advances".

Toen de Amerikaanse ingenieur Jack Kilby in de jaren 1960 de geïntegreerde schakeling ontwikkelde, was dat een technologische revolutie: aanvankelijk alleen ingebouwd in een rekenmachine, maakte deze techniek korte tijd later de opmars van de computers mogelijk, die sindsdien met steeds kleinere processoren werken. "Deze schakelingen vormen de basis voor onze hedendaagse elektronica", zegt juniorprofessor Dr. Andrii Chumak, die aan de leerstoel voor magnetisme werkt bij professor Dr. Burkard Hillebrands aan de TUK in de vakgroep natuurkunde. Voor zijn werk ontving Kilby, ook wel vader van de microchip genoemd, in 2000 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Een nieuwe generatie schakelingen wordt ontwikkeld door de fysici om Chumak en zijn promovendus Qi Wang, de eerste auteur van de huidige studie. Zij maken gebruik van spingolven. "Deze kunnen informatie transporteren in de vorm van het eigen draaimoment in magnetische materialen", vervolgt Chumak. "De kwantondeeltjes van dergelijke golven zijn magnonen." In vergelijking met elektronen kunnen ze veel meer informatie transporteren, verbruiken ze veel minder energie en genereren ze minder warmteafvoer. Dit maakt ze bijvoorbeeld interessant voor snellere en krachtigere computers.

In de nu gepubliceerde studie beschrijven de wetenschappers voor het eerst een zogenaamde geïntegreerde magnonische schakeling, waarin informatie wordt overgedragen met behulp van deze deeltjes. Net als bij gangbare elektronische schakelingen zijn hierbij geleiders en zogenaamde leidingkruisingen nodig om de individuele schakelingselementen te verbinden. In hun simulatie is het de onderzoekers gelukt om zo'n kruising voor magnonen te ontwikkelen. "Daarvoor hebben we in onze berekeningen een fenomeen meegenomen dat al in de fysica bekend is en voor het eerst wordt toegepast in de magnoniek", zegt Qi Wang. "Wanneer twee magnongeleiders heel dicht bij elkaar liggen, communiceren de golven min of meer met elkaar, dat wil zeggen dat de energie van de golven wordt overgedragen van de ene geleider op de andere." In de optiek wordt dit al langer toegepast, bijvoorbeeld om informatie tussen glasvezelkabels over te dragen.

Dit wordt ook door het "Nano-Magnonisch" team, een onderdeel van de leerstoel van professor Hillebrands onder leiding van Chumak en Wang, benut om schakelingselementen op een magnonisch chip op een nieuwe manier te bedraden. Het bijzondere hierbij is dat ze bij de leidingkruisingen zonder een driedimensionale brugconstructie werken. Bij klassieke schakelingen is dit noodzakelijk om de elektronenstroom tussen meerdere elementen te waarborgen. "Bij onze schakeling gebruiken we een tweedimensionale platte bedrading, waarbij de magnongeleiders slechts dicht naast elkaar hoeven te liggen", zegt Wang. Deze "contactplek" noemen de onderzoekers een directionele koppelaar. Met behulp van het model willen de onderzoekers nu een eerste magnonische schakeling bouwen.

Voor de toekomstige productie van computeronderdelen zouden met deze nieuwe schakelingen bijvoorbeeld materiaal en kosten kunnen worden bespaard. Bovendien ligt de grootte van de gesimuleerde onderdelen in de nanometerrange, vergelijkbaar met moderne elektronische componenten. Echter, de informatiedichtheid bij magnonen is vele malen groter.

Voor zijn werk op het gebied van magnonen ontving juniorprofessor Chumak in 2016 een ERC Starting Grant, een van de hoogste onderzoeksprijzen van de EU. De natuurkundige en zijn promovendus Wang werken aan het Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), dat wordt gefinancierd door de deelstaat Rijnland-Palts.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Science Advances: "Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler" DOI: 10.1126/sciadv.1701517