Mutkitteleva aaltojohde spinsignaaleille

Tohokun yliopiston, Shin-Etsu Chemical -yhtiön ja École Polytechnique Fédérale de Lausannen (EPFL) tutkimusryhmä on kehitellyt uuden tavan ohjata spin-aaltoja tehokkaasti terävien kulmien ympäri minimaalisella häviöllä.

Käyttämällä kaksiulotteista magnonista kidettä – kuparikalvoa (Cu), jossa on kuusikulmainen joukko pieniä reikiä magneettisen granaattikalvon päällä – ryhmä osoitti laskelmien avulla, että spin-aallot kulkevat Z-kirjaimen muotoista rataa pitkin yli 5 000 kertaa tehokkaammin kuin perinteisissä aaltojohteissa.

Spinaallot ovat magnetisaation väreilyä magneettisessa materiaalissa, joka voi kuljettaa informaatiota paljon vähemmällä hukkalämmöllä kuin liikkuvat elektronit, mikä tekee niistä lupaavia vaihtoehtoja vähemmän energiaa vaativaan laskentaan. Spinaallot kuitenkin heikkenevät nopeasti kulkiessaan, ja erityisesti aaltojohdetta taivutettaessa. Tämä signaalihäviö on pitkään ollut suurin este käytännöllisten spinaaltopiirien rakentamiselle.

Tässä tutkimuksessa tiimi muutti aiempaa, vuonna 2024 kehittämäänsä konseptia: granaatin päälle ei asetettu kuparilevyjä, vaan kuusikulmaisella reikäryhmällä rei'itetty kuparikalvo, jossa on ohuet raot, jotka yhdistävät vierekkäisiä reikiä. Kolmiulotteiset sähkömagneettiset simulaatiot osoittivat, että tämä uusi rakenne tuottaa "täydellisen magnonisen energia-aukon", joka kykenee heijastamaan spin-aaltoja niiden tulosuunnasta riippumatta. Tämä on ensimmäinen raportti täydellisestä magnonisesta energia-aukosta kaksiulotteisessa magnetonisessa kiteessä, joka perustuu magneettiseen granaattiin. Ydin-aaltojohdinrakenteelle on jo jätetty patenttihakemus.

Sitten tiimi loi Z-muotoisen reitin kiteen läpi poistamalla reikärivin, muodostaen "viivavirheen". Vaikka perinteisen harjanteen muotoisen aaltojohteen spinaallot eivät päässeet loppuun asti, uuden menetelmän mukaiset spinaallot pääsivät. Uusi aaltojohde siirsi spinaaltoja yli 5 000 kertaa paremmin kuin perinteinen rakenne.

"Spinaallon taivuttaminen sitä menettämättä on ollut yksi alan vaikeimmista ongelmista", sanoo apulaisprofessori Taichi Goto. "Kääntämällä ongelman nurinpäin – asettamalla kuvioidun metallikalvon magneettigranaatin päälle sen sijaan, että leikkaisimme itse granaattia – löysimme tavan ohjata spinaaltoja terävien kulmien ympäri hyvin pienillä häviöillä. Tämä avaa käytännöllisen reitin kohti integroituja spinaaltopiirejä, jotka voisivat jonain päivänä auttaa datakeskuksia toimimaan murto-osalla nykyisestä sähköstä."

Aiheesta aiemmin:

Spin-aaltojen muuttaminen tietotekniikan signaaleiksi

Spineille aaltojohteinen verkko

Magnonien viritystä suoraan valolla