Symulacja: Nowy dwuwymiarowy układ scalony działa z magnetycznymi kwantowymi cząstkami

Doktorantka Qi Wang, główny autor najnowszego badania Zdjęcie: TUK/Koziel

Grafika przedstawia typowy obwód (po lewej) oraz obwód magnoniczny, który korzysta z dwuwymiarowego okablowania. Zdjęcie: AG Hillebrands

O smartfonie, komputerze czy maszynie do dializy – żadne elektroniczne urządzenie nie obejdzie się bez układu scalonego i jego elektronicznych obwodów. Poszczególne elementy przełączające są często połączone za pomocą trójwymiarowych tak zwanych konstrukcji mostkowych. Obecnie fizycy pracują nad bardziej wydajną wersją w Politechnice Kaiserslautern (TUK). Zamiast elektronów wykorzystują określone cząstki kwantowe, zwane magnonsami. W modelu po raz pierwszy pokazali, jak możliwy jest przepływ prądu dla tych cząstek w zintegrowanym, magnonowym obwodzie. Elementy łączą tylko dwuwymiarowo. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym „Science Advances”.

Gdy amerykański inżynier Jack Kilby w latach 60. XX wieku opracował układ scalony, była to niemal rewolucja techniczna: początkowo używany tylko w kalkulatorach, technologia ta umożliwiła wkrótce podbój komputerów, które od tego czasu korzystały z coraz mniejszych procesorów. „Te układy stanowią podstawę naszej dzisiejszej elektroniki”, mówi doktorant dr Andrii Chumak, pracujący na stanowisku profesora nadzwyczajnego w Katedrze Magnetyzmu pod kierunkiem profesora dr Burkarda Hillebrandsa na TUK w Wydziale Fizyki. Za swoje prace Kilby, nazywany również ojcem mikroczipa, otrzymał w 2000 roku Nagrodę Nobla z fizyki.

Fizycy, w tym Chumak i jego doktorant Qi Wang, pierwszy autor obecnego badania, pracują nad nową generacją układów scalonych. Wykorzystują przy tym fale spinowe. „Mogą one transportować informacje w postaci własnego momentu pędu w materiałach magnetycznych”, kontynuuje Chumak. „Cząstki kwantowe tych fal to magnonsy.” W porównaniu do elektronów mogą one przenosić znacznie więcej informacji, zużywając przy tym znacznie mniej energii i generując mniej ciepła. Czyni je to atrakcyjnymi na przykład dla szybszych i bardziej wydajnych komputerów.

W opublikowanym właśnie badaniu naukowcy po raz pierwszy opisują tak zwany zintegrowany magnonowy obwód, w którym informacje są przesyłane za pomocą tych cząstek. Podobnie jak w typowych obwodach elektronicznych, konieczne są przewody i tak zwane skrzyżowania przewodów, aby połączyć poszczególne elementy. W swojej symulacji naukowcy udało się opracować takie skrzyżowanie dla magnonsów. „Do naszych obliczeń włączyliśmy zjawisko, które jest już znane w fizyce i po raz pierwszy jest wykorzystywane w magnonice”, mówi Qi Wang. „Gdy dwa przewody magnonsowe leżą bardzo blisko siebie, fale w nich rozmawiają ze sobą, czyli energia fal jest przenoszona z jednego przewodu na drugi.” W optyce od dawna stosuje się to zjawisko, na przykład w przesyłaniu informacji między światłowodami (szklanymi włóknami).

Podobnie korzysta z tego zespół „Nano-Magnoniki”, będący częścią katedry profesora Hillebrandsa, w którym pracują Chumak i Wang, aby w nowy sposób połączyć elementy układów na magnonowym chipie. Co jest szczególne: przy skrzyżowaniach przewodów nie stosuje się trójwymiarowej konstrukcji mostkowej. W klasycznych obwodach jest to konieczne, aby zapewnić przepływ elektronów między elementami. „W naszym układzie korzystamy z dwuwymiarowego, płaskiego okablowania, w którym przewody magnonsowe muszą leżeć tylko blisko siebie”, mówi Wang. To miejsce kontaktu nazywają naukowcy kierunkowym koplerem. Za pomocą tego modelu naukowcy chcą teraz zbudować pierwszy magnonowy obwód.

Na przyszłość, w produkcji elementów komputerowych, takie nowoczesne układy mogą pozwolić na oszczędność materiałów i kosztów. Ponadto rozmiar symulowanych elementów mieści się w nanometrowym zakresie, co jest porównywalne z nowoczesnymi elementami elektronicznymi. Jednak gęstość informacji w magnonsach jest wielokrotnie większa.

Za swoje prace w dziedzinie magnonsów, doktorant Chumak otrzymał w 2016 roku ERC Starting Grant, jeden z najwyższych nagród badawczych UE. Fizyk i jego doktorant Wang pracują w Narodowym Centrum Badań nad Optyką i Materiałami (OPTIMAS), finansowanym przez kraj Rheinland-Pfalz.

Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym Science Advances: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler” DOI: 10.1126/sciadv.1701517