Spintronikte yeni atılım: basit malzemelerde ultra kısa spin dalgaları oluşturmak!
Kılavuz
Yakın zamanda, Almanya'daki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü ve Helmholtz Dresden Rosendorf Araştırma Merkezi'nden araştırmacılardan oluşan bilimsel bir araştırma ekibi, önceki şemadan daha basit olan sözde spin dalgasını başarıyla oluşturdu. Verimli.
arka fon
Geleneksel elektronik cihazlar, bilgileri elektrik yüküyle iletir ve işler. Bununla birlikte, elektrik yükleri geleneksel elektronik cihazlar için kaçınılmaz problemleri beraberinde getirdi: güç tüketimi ve ısı üretimi. Neyse ki, elektronların başka bir özsel özelliği daha vardır: spin. Spin, parçacığın "yukarı" veya "aşağı" olan içsel açısal momentumunun neden olduğu içsel harekettir.
(Resim kaynağı: referans [2])
Elektron spinini inceleme bilimi "spintronics" olarak adlandırılır. Sıkma hızla değiştirilebilir ve şarjın neden olduğu ısınma sorunu önlenebilir, böylece güç tüketimi azaltılır. Bu nedenle spintronics'in bilgisayarlar ve akıllı telefonlar gibi elektronik ürünleri daha hızlı ve daha enerji verimli hale getirmesi bekleniyor. Spintronics, gelecekteki elektronik cihazların incelenmesi için çok umut verici bir yön olarak kabul edilir.
Tüm karbon spin mantık cihazı (resim kaynağı: referans [3])
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü (MPI-IS) ve Helmholtz Dresden Rosendorf Araştırma Merkezi'nden (HZDR) bir araştırmacı ekibi, sözde spin'i başarıyla oluşturdu. Wave, önceki şemadan daha basit ve daha verimli. Araştırmacılar sonuçlarını Physical Review Letters dergisinde yayınladılar.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: ultra kısa bir spin dalgası (kırmızı) demir-nikel tabakasından geçer. Bu tabakanın ortasına doğru, bir tür "düğüm" halinde, manyetik yön (mavi ok) yukarı ve aşağı arasında sallanırken, diğer kısımlardaki hareket manyetik dönüşün tersine dairesel olarak kalır.
(Resim kaynağı: HZDR / Juniks)
teknoloji
Modern bilgisayar çipleri, elektrik yüklerinin taşınmasına dayanır. Her işleme olayı, akımın elektronik cihazda akmasına neden olur. Bu elektronlar, istenmeyen ısı üreten sözde dirençle karşılaşırlar. Çip üzerindeki yapı ne kadar küçükse, ısıyı dağıtmak o kadar zor olur. Bu şarj tabanlı mimari, son yıllarda işlemci saat frekanslarının önemli ölçüde artmamasının nedeninin bir parçasıdır. Çip performansı ve hızının zarif ve istikrarlı geliştirme eğrisi şimdi düzleşiyor. HZDR'deki İyon Işını Fiziği ve Malzemeleri Enstitüsü'nden Ph.D. Sebastian Wintz şunları söyledi: "Mevcut kavramlar sınırlarına yaklaşıyor. Bu yüzden yeni bir çözüm, spin dalgaları üzerinde çalışıyoruz."
Bu şema artık yük taşınmasını değil, yalnızca manyetik malzemelerdeki elektronların içsel açısal momentumunu (dönüşünü) içerir. Elektronların kendileri sabit kalır, sadece dönüşleri değişir. Komşu elektronların spinleri birbirini algılayacağı için komşulara bir spin değişimi iletilecektir. Sonuç, manyetik sinyallerin malzemeden dalgalar gibi, sözde "spin dalgaları" içinden geçmesidir.
Dönmeye dayanan bileşenlerin avantajı, yalnızca çok az ısı üretmeleridir. Bu, akıllı telefonlar gibi mobil cihazlar için çok değerli olan çok az enerji kullandığı anlamına gelir. Dönen dalgaların dalga boyu, mobil iletişim gibi alanlarda kullanılan elektromanyetik sinyallerden daha kısa olduğu için, belirli uygulamalar için bileşenlerin boyutunu daha da azaltmak da mümkündür. Bu, bir çipe şu anda yaptığımızdan daha fazla devre ekleyebileceğimiz anlamına gelir.
Tüm bu işi yapmadan önce, çok sayıda temel araştırmaya ihtiyacımız var. Örneğin, verimli bir şekilde spin dalgalarını nasıl oluşturacağımızı bilmemiz gerekir. Uzmanlar bir süredir bu sorunu çözmeye çalışıyorlar, mikron büyüklüğündeki metal şeritleri ince bir manyetik tabakaya yapıştırdılar. Bu metal şeritten geçen alternatif bir akım, küçük bir alanda hapsolmuş bir manyetik alan yaratacaktır. Bu manyetik alan daha sonra manyetosferdeki spin dalgalarını harekete geçirir. Bununla birlikte, bu yöntemin bir dezavantajı vardır: Üretilen spin dalgasının dalga boyunu metal şeridin genişliğinden daha küçük yapmak zorlaşır. Bu, son derece entegre nano yapıların geliştirilmesi için elverişli değildir.
Ancak başka bir seçenek daha var: Disk şeklindeki manyetik malzeme manyetik girdaba neden olur. Manyetik girdap çekirdeğinin boyutu 10 nanometreyi geçmez. Daha sonra, manyetik alan girdap çekirdeğinin salınmasına neden olarak bu katmandaki spin dalgalarını uyarır. Wintz şöyle bildiriyor: "Bir süre önce, bu hedefe ulaşmak için nispeten karmaşık çok katmanlı malzemelere ihtiyacımız vardı. Şimdi, çok basit malzemelerle girdap çekirdeğinden çoktan spin dalgaları yayabiliriz." 100 nanometrelik, üretimi kolay bir demir-nikel alaşım tabakası.
(Resim kaynağı: referans [4])
değer
Çarpıcı olan, üretilen spin dalgasının sadece 80 nanometre dalga boyuna sahip olmasıdır. Dr. Georg Dieterle, MPI-IS'deki doktorası sırasında bu fenomeni araştırdı. "Uzmanlar, bunu bu kadar basit bir malzemeyle yaptığımıza çok şaşırdı. Ayrıca frekansı gigahertz aralığının alt kısmında olan bu kadar kısa bir dalga üretmeyi de beklemiyorduk." Dedi.
Uzmanlar, kısa dalga boyunun nedeninin aktarılma biçiminde olduğuna inanıyor. Nikel-demir tabakasının enine kesitinin merkezine yakın, spin dalgası manyetik olarak bir tür "bağlantı" oluşturur. Kavşağın içinde manyetik yön, olağan dairesel yörüngesini izlemek yerine yalnızca yukarı veya aşağı salınım yapar.
Ekip, bu fenomeni görünür kılmak için Helmholtz Berlin Malzeme ve Enerji Araştırma Merkezi'ndeki BESSY II elektron depolama halkasında özel bir X-ışını mikroskobu kullandı. MPI-IS direktörü Profesör Gisela Schütz, "Bu mikroskop olmadan bu etkileri gözlemleyemeyiz" dedi. Şimdi uzmanlar, sonuçlarının spintronik cihazların derinlemesine geliştirilmesine yardımcı olacağını umuyorlar. Dieterle şunları söyledi: "Örneğin, vorteks çekirdeğimiz, potansiyel fenomenleri keşfetmek ve spin dalgası bileşenlerine dayalı yeni konseptler geliştirmek için yerel, kontrol edilebilir bir kaynak olarak kullanılabilir. Gözlemlediğimiz spin dalgaları gelecekte oldukça entegre olacaktır. Devre ile ilgili. "
Anahtar kelime
Manyetizma, spin, elektron
Referans
[1]
[2] S. Y. Bodnar ve diğerleri, Néel dönme yörünge torkları ve büyük anizotropik manyetoresistance tarafından antiferromanyetik Mn2Au yazma ve okuma, Nature Communications 9, 24 Ocak 2018, DOI: 10.1038 / s41467-017-02780-x
3 Joseph S. Friedman ve diğerleri, Düşük boyutlu karbonlu Cascaded spintronic logic, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038 / ncomms15635
4 G. Dieterle, J. Förster, H. Stoll, A. S. Semisalova, S. Finizio, A. Gangwar, M. Weigand, M. Noske, M. Fähnle, I. Bykova, J. Gräfe, D A. Bozhko, H. Yu. Musiienko-Shmarova, V. Tiberkevich, A.N. Slavin, C. H. Back, J. Raabe, G. Schütz, S. Wintz. Fiziksel İnceleme Mektupları, 2019; 122 (11) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.117202
