Spinaalloilla pitkälle

Pinta-akustisten pinta-aaltojen (SAW) aiheuttama venymäkaavio pietsosähköisellä alustalla ja sen päällä olevan ferromagneettisen materiaalin magneettinen modulaatio.

Spinaaltojen käytöllä informaation siirrossa eli magnoniikalla on se etu, että spinit pysyvät paikallaan; informaation kantajia ei tarvitse siirtää paikasta toiseen, kuten perinteisiä sähkövarauksia.

Tyypillinen menetelmä spin-aaltojen generoimiseksi tapahtuu pienillä antenneilla, jotka lähettävät ns. Oersted-kenttää. Läheisen magneetin spinit vaappuvat vasteena, mutta tämän aallon amplitudi (maksimikaltevuus) on tyypillisesti alle asteen ja matka ennen kuihtumista on vain muutama mikrometri.

Spinaaltojen tuottamiseksi on olemassa muitakin menetelmiä, kuten esimerkiksi laserien tai spinpolarisoitujen virtojen käyttö, mutta niissäkin materiaalin vastustus ilmiölle on edelleen rajoituksena.

Ääniaallot voisivat tarjota toisen menetelmän spinaaltojen muodostamiseen. Tutkijat ovat jo kauan tienneet, että spinsuuntausta (magnetointia) voidaan muuttaa venyttämällä tai puristamalla magneettista materiaalia. Ääniaallot tuottavat tämäntyyppisiä jännityksiä, kun ne kulkevat kiinteän aineen läpi ja tutkijat ovat havainneet, että ääniaallot voivat saada aikaan vaappumista magneetissa. Ei ole kuitenkaan ollut selvää, muodostaako tämä heilahdus koherentin aaltokuvion vai ei.

Barcelonan yliopiston (UB), Barcelonan materiaalitieteiden instituutin (ICMAB-CSIC) ja ALBA Synchrotronin yhteisvoimin kehittämässä kokeissa tutkijat ovat nyt havainneet suoraan ja ensimmäistä kertaa magneto-akustisia aaltoja (ääniohjattuja spinaaltoja). Niitä pidetään potentiaalisina informaation kantajina uudenlaisessa tietotekniikassa.

Uudenlaiset aallot on generoitu ja havaittu hybrideillä magneettisilla/pietsosähköisillä rakenteilla.

Kokeiden tulokset osoittavat, että magnetoakustiset aallot voivat kulkea pitkiä matkoja - jopa senttimetreihin - ja niiden amplitudit ovat odotettua suurempia (kaltevuus jopa 25 astetta).

Magnetointiaaltojen havainnot suoritettiin nikkeli ferromagneettisessa ohutkalvossa, jota viritettiin muodonmuutosaallolla eli pinta-akustisilla aalloilla, jotka olivat peräisin pietsosähköisestä substraattikerroksesta nikkelikalvon alla.

Vaikka akustisten aaltojen ja magnetointidynamiikan välistä selvää vuorovaikutusta on raportoitu useissa järjestelmissä, aiemmin ei ollut selkeää tarkkailua taustalla olevista magneettisista virityksistä.

"Nyt tulokset osoittavat selvästi, että magnetoitumisaallot esiintyvät erillisillä taajuuksilla ja aallonpituuksilla ja että on jopa mahdollista luoda aaltointerferenssejä", selittää UB:n ja ICMAB:n projektijohtaja Ferran Macià.

Kokeet osoittavat magnetointiaaltojen interferenssikuviot ja tarjoavat uusia tapoja näiden aaltojen käsittelemiseksi huoneenlämpötilassa.

"Magnetointiaaltomme ovat kytkeytyneet akustisiin aaltoihin, ja siten ne voivat kulkea pitkiä matkoja ja saada suuremmat amplitudit kuin spin-aallot", selittää Michael Foerster, sädelinjan CIRCE-PEEM-tutkija ALBAssa. Tällaiset suuren amplitudin pitkien kantamien aallot voisivat sopia hyvin informaation kuljettamiseen, datan käsittelemiseen tai pienten moottorien ajamiseen.

Aiheesta enemmän: Focus: Sound-Driven Spin Waves, April 3, 2020• Physics 13, 51.

Aiheesta aiemmin:

Magnonit töihin

Kvanttitaso ja mekaniikka vuorovaikutukseen