Spinaaltoja nanoelektroniikkaan

Ultralyhyet spinaallot (punainen) kulkevat nikkelirautakerroksen läpi. Kerroksen keskiosan kohdalla, magneettinen suunta (siniset nuolet) keinuu vain ylös- ja alaspäin eräänlaisessa solmussa, kun taas muissa osissa liike pysyy pyörivänä.

Spintroniikkaa pidetään lupaavana konseptina elektroniikan tulevaisuudelle, koska sen avulla voidaan nopeuttaa tietokoneita ja älypuhelimia tehokkaimmin.

Max Planckin älykkäiden järjestelmien instituutin (MPI-IS) ja Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) yhteistyötutkimus on onnistuneesti tuottanut spinaaltoja paljon helpommin ja tehokkaammin kuin aiemmin pidettiin mahdollisena.

Spinaaltojen tuottaminen tehokkaasti on ollut ongelmallista. Aalto on saatu aikaan mikrometrin kokoisilla metallinauhoilla jotka on kiinnitetty ohuille magneettisille kerroksille. Niillä on ollut kuitenkin vaikea saada spinaaltojen aallonpituutta pienemmäksi kuin metallinauhan leveys, mikä ei riitä nanometrien integroiduille komponenteille.

Kuitenkin on olemassa vaihtoehto: Pyöreiksi levyiksi muotoiltu magneettinen materiaali herättää vaihtuvalla kentällä magneettisten vorteksien muodostumisen, joiden ytimet eivät ole mitoiltaan enempää kuin noin kymmenen nanometriä. Magneettikenttä voi tällöin saada tämän vorteksisydämen värähtelemään, mikä herättää spinaallon kerroksessa.

Jokin aika sitten tarvitsimme melko monimutkaisia monikerroksisia materiaaleja tämän tekemiseksi”, tutkija Sebastian Wintz kertoo. ”Nyt olemme onnistuneet saamaan spinaaltoja vorteksiytimestä hyvin yksinkertaisessa materiaalissa.

Tutkijoiden materiaalina oli helposti valmistettava nikkeli-rautaseoksen kerros, jonka paksuus on noin 100 nanometriä. Siinä syntyneiden spinaaltojen pituus, on vain 80 nanometriä.

Asiantuntijat arvelevat, että lyhyen aallonpituuden syy on tavassa jolla ne kulkevat. Lähellä nikkelirautakerroksen poikkileikkauskeskusta spin-aalto muodostaa eräänlaisen “solmun”, jonka sisällä magneettinen suunta värähtelee vain ylös- ja alaspäin sen sijaan, että se kulkee pitkin sen yleistä pyöreää rataa.

Nyt asiantuntijat toivovat, että heidän tulokset auttavat kehittämään spintroniikkaa. ”Vortex-ytimemme voisivat esimerkiksi toimia paikallisena, hyvin hallittavana lähteenä tutkia taustalla olevia ilmiöitä ja kehittää uusia konsepteja spinaaltoon perustuvien komponenttien avulla”, tutkija Georg Dieterle visioi. ”Havaitsemamme aallot voisivat olla tulevaisuudessa merkityksellisiä vahvasti integroitujen piirien kannalta.”

Aiheesta aiemmin:

Spinaaltoja tulevaisuuden tietojenkäsittelyyn

Spinaallot hyötykäyttöön