Nanofale Magnonik wytyczają drogę do nowego rodzaju komputerów

Lewa tablica przedstawia obraz uzyskany za pomocą mikroskopii elektronów skaningowych, przedstawiający 50 nm szeroki przewodnik falowy YIG. Antena umożliwia pobudzenie fal spinowych, które następnie rozchodzą się wzdłuż linii. Prawa tablica pokazuje powiększony fragment przewodnika falowego w porównaniu do rozmiaru koronawirusa. (Źródło: TUK / Centrum Struktur Nano)

Magnetyzm z jednej strony oferuje nowe możliwości opracowywania wydajniejszych i bardziej energooszczędnych komputerów, z drugiej strony realizacja obliczeń magnetycznych na nanoskalę jest wyzwaniem. Zespół naukowców z Kaiserslautern, Jeny i Wiednia informuje w czasopiśmie Nano Letters o przełomie w dziedzinie obliczeń o ultraniskim zużyciu energii za pomocą fal magnetycznych.

Lokalne zakłócenie w porządku magnetycznym magnesu może rozprzestrzeniać się w materiale w formie fal. Te fale nazywane są falami spinowymi, a związane z nimi kwasi-cząstki nazywa się magnonsami. Naukowcy z Technische Universität Kaiserslautern, Innovent e.V. z Jeny i Uniwersytetu Wiedeńskiego są znani ze swojej ekspertyzy w dziedzinie „Magnoniki”. W tym obszarze magnony są wykorzystywane do rozwoju nowatorskich typów komputerów, które mogą uzupełniać obecne procesory oparte na elektronach.

„Nowa generacja komputerów z magnonsami mogłaby być bardziej wydajna i zużywać znacznie mniej energii. Kluczowym warunkiem jest zdolność do produkcji tak zwanych monomodalnych przewodników falowych, które umożliwiłyby korzystanie z zaawansowanych schematów przetwarzania sygnałów opartych na falach” — mówi młodszy profesor Philipp Pirro, jeden z czołowych naukowców projektu. „W tym celu musimy przesunąć wymiary naszych struktur do nanometrów. Rozwój takich przewodów danych otwiera na przykład dostęp do rozwoju neuromorficznych systemów komputerowych, które naśladują funkcje ludzkiego mózgu.”

Skalowanie technologii magnonicznej do nanoskali jest jednak wyzwaniem: „Bardzo obiecującym materiałem do zastosowań magnetycznych jest granat tytanowo-yttrynowy (YIG). YIG jest rodzajem 'szlachetnego materiału magnetycznego', ponieważ magnony w nim trwają około setki razy dłużej niż w innych materiałach” — mówi kierownik projektu, profesor Andrii Chumak z Uniwersytetu Wiedeńskiego. „Ale wszystko ma swoją cenę: YIG jest bardzo skomplikowany i trudny w obsłudze, gdy próbujemy wyprodukować z niego małe struktury. Dlatego struktury YIG przez dziesięciolecia miały rozmiar milimetrowy, a dopiero teraz udało nam się zmniejszyć je do 50 nanometrów, co jest około 100 000 razy mniejsze.”

W tym celu na Nano Structuring Center na Technische Universität Kaiserslautern opracowano specjalną nową technologię, wykorzystującą warstwy YIG wyhodowane przez pracownika Dr. Carstena Dubs z Innovent e.V. z Jeny. Na tej warstwie YIG nakłada się cienką warstwę metalu, tak zwaną maskę, która odsłania największą część tej warstwy. Następnie próbka jest bombardowana silnym strumieniem jonów argonu, który usuwa nieosłonięte części warstwy YIG, podczas gdy materiał pod maską pozostaje nienaruszony. Po tym usunięciu maski metalowej, na powierzchni pozostaje cienki, 50 nm, pasek gotowej warstwy YIG.

„Decydujące dla sukcesu całego procesu było znalezienie odpowiednich materiałów na maskę, ustalenie, jak gruba powinna być ta maska, oraz ustawienie dziesiątek różnych parametrów, aby uzyskać pożądane właściwości warstwy YIG” — mówi Björn Heinz, główny autor opracowania. „Po kilku latach badań w końcu opracowaliśmy odpowiednią metodę, łączącą warstwy chromu i tytanu. Szerokość struktury YIG jest około tysiąc razy mniejsza od grubości ludzkiego włosa. Po pomyślnym wykształceniu struktur naukowcy kontynuowali badania nad rozchodzeniem się magnonsów, aby sprawdzić, czy nanostruktury YIG zachowują wyjątkowe właściwości materiału.”

„Udało nam się wykazać, że proces strukturyzacji miał tylko niewielki wpływ na znakomite właściwości tego materiału” — mówi Heinz. „Ponadto, eksperymentalnie wykazaliśmy, że magnony mogą efektywnie przenosić informacje na duże odległości w przewodach, co wcześniej sugerowano w teorii. Te wyniki stanowią ważny krok w rozwoju magnonicznych obwodów i potwierdzają ogólną wykonalność przetwarzania danych opartego na magnonsach.”

Badania zostały przeprowadzone w ramach ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), Sonderforschungsbereich SFB 173 Spin+X (P. Pirro) oraz projektu DFG DU 1427/2-1 (C. Dubs) i były finansowane przez Landesforschungszentrum OPTIMAS.

Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nano Letters: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657