Urządzenia bardziej energooszczędne dzięki technologii szafek

Juniorprofesor Dr. Philipp Pirro (links) und Professor Dr. Mathias Weiler. (View/Voss TUK)

O smartfonie, smartwatchu czy zwykłym komputerze – urządzenia elektroniczne zużywają dużo energii. Nowe technologie, które umożliwiły badania nad spinami, mogą pomóc w obniżeniu zużycia energii, na przykład poprzez integrację z powszechnie stosowanymi półprzewodnikami i mikroczipami. Na TU Kaiserslautern (TUK) dwa nowe projekty badawcze, finansowane przez Unię Europejską (UE), zajmują się tym zagadnieniem. Jeden jest koordynowany na TUK i finansowany przez UE kwotą 3,3 miliona euro, z czego 525 000 euro trafia do Kaiserslautern. Drugi projekt jest prowadzony w Belgii. UE przeznaczy na ten cel około trzy miliony euro, z czego 310 000 euro jest przeznaczone na prace na TUK.

Aby uczynić urządzenia elektroniczne bardziej energooszczędnymi, badacze pracują nad wykorzystaniem fal spinowych i ich kwantowych cząstek, zwanych magnonsami. Mogą one przesyłać więcej informacji niż elektrony, jednocześnie zużywając znacznie mniej energii. Fale spinowe to zbiorowa ekscytacja momentów magnetycznych w materiale magnetycznym. Spin to własny moment pędu cząstki kwantowej, na przykład elektronu lub neutronu. Stanowi podstawę wszystkich zjawisk magnetycznych.

W obu projektach finansowanych przez UE chodzi o przeniesienie wyników badań nad spinami i magnonsami do zastosowań praktycznych. W projekcie „Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing” (M&MEMS) celem jest przygotowanie technologii spinów do integracji z istniejącymi urządzeniami elektronicznymi.

Zespół opiera się na połączeniu systemów magnonowych z mikromechanicznymi systemami, tak zwanymi chipami MEMS. MEMS oznacza „mikro-elektro-mechaniczne systemy”. „Chodzi na przykład o mikroskopijne silniki lub czujniki przyspieszenia, które występują między innymi w smartfonach” – mówi koordynator projektu, doktorant Philipp Pirro, który na TUK bada zjawiska magnetyczne. „Systemy magnonowe można sterować za pomocą pól magnetycznych. Zazwyczaj są one generowane przez elektromagnesy, a do tego potrzebny jest prąd.” Jego kolega, profesor dr Mathias Weiler, badający zjawiska spinowe na TUK, dodaje: „To obecnie jeszcze nieefektywne.”

W tym miejscu wkraczają te mikromechaniczne systemy. „Chcemy umieścić w nich małe magnesy trwałe, aby generować pole magnetyczne” – kontynuuje Weiler. „Po ich umieszczeniu nie będzie już potrzebna dodatkowa energia.” Natężenie pola magnetycznego można regulować, zbliżając magnes do elementu magnonowego lub oddalając go. W ten sposób zużycie energii byłoby bardzo niskie. „To szczególnie interesujące dla urządzeń mobilnych” – podaje Pirro jako przykład.

W projekcie, którego koordynatorem jest Technische Universität Kaiserslautern (TUK), bierze udział osiem partnerów z pięciu krajów UE. Wśród nich są uniwersytety, takie jak TU Monachium i Politecnico di Milano, a także wiodące firmy technologiczne w dziedzinie komunikacji wysokiej częstotliwości, takie jak Nokia i Thales. Na TUK Pirro i Weiler wspierani są przez profesora dr Burkarda Hillebrandsa, kierownika grupy badawczej Magnetism.

W drugim finansowanym projekcie „Systemy obliczeniowe oparte na hybrydowych falach spinowych – zintegrowane architektury CMOS” (SPIDER) również chodzi o elementy magnonowe. „Chcemy zbudować system, w którym magnony będą podłączone do standardowego komputera i zintegrowane z powszechnie stosowanymi elementami półprzewodnikowymi” – wyjaśnia Pirro. Zespół badawczy skupia się na tzw. technologii Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, czyli CMOS. Są one obecne we wszystkich popularnych komputerach. „Jeśli uda nam się uczynić technologię magnonową kompatybilną z istniejącymi technikami i chipami, obniżyłoby to barierę wejścia dla zastosowania magnonsów” – mówi Pirro.

W projekcie biorą udział oprócz TUK i Fraunhofer-Gesellschaft także cztery inne europejskie partnerzy. Koordynuje go Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) w belgijskim Leuven.

Prace nad oboma projektami będą prowadzone w nowym budynku badawczym LASE (Laboratorium zaawansowanych technologii spinowych) na kampusie TUK, gdzie naukowcy z dziedziny fizyki, chemii i inżynierii będą wspólnie badać zjawiska spinowe. Niedawno profesor Weiler i doktorant Pirro otrzymali grant ERC od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (European Research Council, ERC), aby również prowadzić badania w dziedzinie spinów. Granty ERC należą do najbardziej prestiżowych form finansowania badań na świecie.

Podstawę do realizacji tych przedsięwzięć położyły zespoły wokół obu fizyków, między innymi pracami w Centrum Optyki i Nauki o Materiałach, finansowanym przez land, oraz w specjalnym obszarze badawczym „Spin + X”, finansowanym przez Niemiecką Fundację Badawczą (Deutsche Forschungsgemeinschaft).

W ramach nowych projektów powstaną także stanowiska naukowe. Osoby zainteresowane z odpowiednimi kwalifikacjami mogą się chętnie zgłaszać.

Pytania można kierować do:

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Przedmiot Magnetyzm / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Profesor Dr. Mathias Weiler
Zjawiska spinowe / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4099
E-mail: weiler(at)physik.uni-kl.de