Energiatehokasta kvanttilaskentaa magnoneilla

Tekoälyn lisääntyvä käyttö lisää nopeiden ja energiatehokkaiden tietokonelaitteiden tarvetta. Perinteiset laiteratkaisut menettävät energiaa sähkövirtojen kautta aiheuttaen lämpöä.

Vaihtoehtona on käyttää elektronien spinejä informaation tallentamiseen ja käsittelyyn. Radboudin ja Lancasterin yliopistojen tutkijat ovat edistyneet merkittävästi tällä tutkimusalalla luomalla ja säätelemällä nanomittakaavan spinaaltoja.

Spinaallot tai kvanttitermein esitetyt magnonit syntyvät, kun magneettien spinit häiriintyvät ja alkavat pyöriä tasapainoasemiensa ympäri. Nämä pyörimiset etenevät magneettisen materiaalin läpi vierekkäisten spinien välisen voimakkaan kytkennän vuoksi. Magnoniikka on nouseva tutkimusala, jonka tavoitteena on koodata informaatiota sekä magnonien amplitudissa että vaiheessa ja käyttää niitä loogisten perusoperaatioiden suorittamiseen.

Magnoniikan edistämiseksi tulevaa laskentatekniikkaa varten spinaaltoja on generoitava nanomittakaavan ja THz:n taajuuksilla, jolloin magnoniset sirut voisivat toimia jopa 1000 kertaa nopeammin kuin nykyiset sirut ilman sähkövirtojen aiheuttamaa energiahäviötä.

Antiferromagneetteja, joille on tunnusomaista vastavuoroinen spin-kohdistus, pidetään laajalti ihanteellisena välineenä tämän tavoitteen saavuttamiseksi.

Magnonien käyttö antiferromagneeteissa on kuitenkin ollut pitkään tunnetusti vaikeaa, ja kaikki spin-aaltoisen logiikan toteuttamisprotokollat ovat pysyneet teoreettisina.

"Muutama vuosi sitten voitimme tämän esteen osoittamalla ensimmäistä kertaa, että lyhyt UV-valopulssi voi paikallistaa spin-virityksen muutaman nanometrin sisällä, mikä mahdollistaa terahertsien antiferromagneettisten spinaaltojen muodostumisen", tutkija Dima Afanasiev sanoo. "Kuitenkin, jotta voidaan osoittaa, että spin-aaltoja voidaan käyttää laskennassa, on osoitettava, että laservirittyneet spin-aallot voivat todellakin olla vuorovaikutuksessa", tutkija Aleksei Kimel lisää.

Tämän saavuttamiseksi tutkijat käyttivät kahta intensiivistä laserpulssia, joiden välillä oli lyhyt mutta tarkasti hallittava viive. Ensimmäinen pulssi herättää spinaallon, kun taas toinen ohjauspulssi muuttaa sen ominaisuuksia sen saapumishetken spin-tilan perusteella.

Tutkijat osoittivat, että tämä ohjaus ulottuu muuhunkin kuin pelkän amplitudin ja vaiheen säätämiseen; se sisältää myös taajuuden ja aallonpituuden muuttamisen, mikä mahdollistaa magnonin muuntamisen. "Uskomme, että tämä on todellinen askel eteenpäin THz-spin-aallon logiikan toteuttamisessa", Afanasiev päättää.

Tutkijoiden mukaan tulokset vapauttavat myös uudenlaisten altermagneettisten magnonisten terahertsin kellotaajuuksilla toimivien logiikkalaitteiden potentiaalin. Näin koska niissä voitaneen operaatio toteuttaa ulkoisella magneettikentällä.

Lisäksi he odottavat, että monimutkaisemmat ei-kolineaariset spin-konfiguraatiot, kuten kierteiset tai sykloidiset järjestykset, voivat tukea vieläkin vahvempia epälineaarisia vuorovaikutuksia magnonien välillä.

Aiheesta aiemmin:

Magnetismilla energiatehokasta laskentaa

Magneettisten supervoimien vapauttaminen

Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta