Magnoniikkaa kolmanteen ulottuvuuteen

Yhteistyössä saksalaisten tutkijoiden kanssa EPFL:n tutkijat ovat osoittaneet, että pienten, kiertyneiden magneettisten putkien spiraaligeometriaa voidaan hyödyntää datan siirtämiseen magnon kvasihiukkasilla elektronien sijaan.

Vaikka elektronivirtauksen puuttuminen onkin etu, kolmiulotteiset (3D) magnoniset järjestelmät ovat edelleen pitkälti kokeellisia, koska ne vaativat tyypillisesti voimakkaita magneettikenttiä tai kryogeenisiä lämpötiloja, jotka tekevät niistä yhteensopimattomia valtavirran tekniikan kanssa.

EPFL:n Nanoskaalan magneettisten materiaalien ja magnoniikan laboratorion (LMGN) tutkijat ovat nyt ottaneet magnoniikan ison askeleen lähemmäksi todellista sovellusta poistamalla samanaikaisesti äärimmäisten lämpötilojen tarpeen ja esittelemällä 3D-valmistusmenetelmän.

Kiertämällä fyysisesti ferromagneettisesta nikkelistä valmistettuja nanoskaalan putkia tiimi sai aikaan kiraalisuuden, jossa kappaleen symmetria eroaa sen peilikuvan symmetriasta. Tämä epäsymmetria sai magnonit virtaamaan vain yhteen suuntaan putken akselia pitkin, mikä loi ratkaisevan mahdollisuuden koodata binääritietoa ja lähettää signaaleja sirulle. Esimerkiksi "oikeakätisessä" spiraalikierteessä havaittu magnonivirtauskuvio saattaa edustaa arvoa 0, kun taas vasenkätisessä se voi edustaa arvoa 1.

LMGN:n johtaja Dirk Grundler sanoo, että tämä insinööritaidon saavutus luo myös diodin, elektroniikkateknologioiden keskeisen komponentin, joka johtaa signaaleja vain yhteen suuntaan. ”Olemme pohjimmiltaan luoneet magnoneille 3D-diodin, joka samanaikaisesti voi koodata dataa huoneenlämmössä.”

”Olemme maailman ainoa ryhmä, joka pystyy tuottamaan näitä rakenteita nikkelistä, jolla ei luonnostaan ole kiraalisia ominaisuuksia. Siten me tavallaan ’painamme’ 3D-geometrian avulla kiraalisuuden niihin”, tiivistää LMGN:n tutkija Axel Deenen.

Valmistusprosessi, jota voidaan käyttää ferromagneettisten putkien massatuotantoon, on täysin yhteensopiva mikroelektroniikkateollisuudessa käytetyn valtavirran siruteknologian kanssa – voimakkaita magneettikenttiä, erikoismateriaaleja tai äärimmäisiä lämpötiloja ei tarvita.

Vaikka putkien ja spin-aaltojen "ohjelmointiin" käytetään magneettikenttää, tämä magneettinen informaatio tallennetaan ilman liikkuvaa varausta, mikä tekee siitä vakaan ja haihtumattoman koodausmenetelmän.

Grundler lisää, että tulevaisuudessa työ voisi helpottaa magnonisen teknologian käyttöönottoa neuromorfisen eli aivoista inspiroituneen tekoälylaskennan ajurina. ”Laitteistopohjainen neuromorfinen laskenta on avainasemassa tekoälysovellusten optimoinnissa, mutta kuten aivojenkin kohdalla, tämä on järkevää vain 3D-arkkitehtuurien ja alhaisen energiankulutuksen kannalta. Teknologiamme on nyt valmis tukemaan tätä.”

Aiheesta aiemmin:

Magnetismin valjastaminen nopeampaan laskentaan

Magnonien viritystä suoraan valolla

Miljoonien tutkimuspanos magnoniikan kehittämiseen