Välitön taajuuden hyppy magneettisen värähtelyn avulla

KAISTin fysiikan laitoksen professori Kab-Jin Kimin johtama tutkimusryhmä kertoi onnistuneensa saavuttamaan merkittäviä signaalinopeuden (taajuuden) muutoksia nanoskaalassa käyttämällä spin-aaltoja.

Näitä magnonivärähtelyjä hyödyntävää saavutusta tutkittiin signaalinohjausmenetelmän esittelemiseksi, joka voi vähentää merkittävästi tehonkulutusta jopa erittäin pienissä mittakaavoissa.

Tutkimusryhmän käyttämä materiaali on synteettinen antiferromagneetti (SAF), joka on luotu pinoamalla useisiin kerroksiin ohuita magneettisia materiaaleja. Tässä rakenteessa spinaallot ilmenevät kahdella tavalla: sekä akustisessa että optisessa tilassa. Tutkijat tunnistivat alan ensimmäisinä "moodihyppely "-ilmiön, jossa nämä värähtelyt vaihtuvat yhtäkkiä tietyissä olosuhteissa.

Tutkitussa ilmiössä signaali siirtyy äkillisesti täysin eri tilaan tietyllä hetkellä, mikä aiheuttaa jyrkän hypyn taajuudessa. Tämä viittaa uuteen tapaan ohjata signaalin taajuuksia pelkästään spin-aaltojen tilamuutosten avulla ilman monimutkaisten piirien tarvetta.

Tutkimusryhmä loi spinaaltoja magneetin sisällä lähettämällä sähkömagneettisia signaaleja pienten antennien läpi. Ulkoisen tehon ja magneettikentän voimakkuutta säädettäessä taajuus ei muuttunut lineaarisesti, vaan "hyppäsi" äkillisesti. Tämä muutos tapahtuu " kolmen magnonin vuorovaikutusprosessin " aikana, jossa spinaallon perusyksikkö, magnoni, joko jakautuu yhdestä kahdeksi tai yhdistyy takaisin yhdeksi.

Merkillepantavaa on, että nämä nopeat taajuusmuutokset ovat mahdollisia ilman monimutkaisia elektronisia piirejä. Yksinkertaisesti säätämällä signaalin voimakkuutta taajuutta voidaan muuttaa vapaasti, mikä mahdollistaa yksinkertaisemmat piirirakenteet ja merkittävästi pienemmän virrankulutuksen.

Lisäksi tätä ilmiötä voidaan käyttää kytkimenä erottamaan "päällä (1)" ja "pois (0)", mikä tekee siitä soveltuvan uudentyyppisille puolijohteille ja neuromorfiselle laskentatekniikalle, joka jäljittelee ihmisaivoja.

Tämä tutkimus on merkittävä askel eteenpäin "spinaaltopohjaisen tiedonkäsittelyteknologian" toteutettavuudessa. Sitä odotetaan hyödynnettävän useilla aloilla, mukaan lukien erittäin pienitehoinen laskenta, nopea signaalinkäsittely ja spintroniset laitteet.

Professori Kab-Jin Kim toteaa: "Tämä tutkimus osoittaa, että voimme toteuttaa ja hallita magnonien epälineaarista dynamiikkaa – tiedonkäsittelyn periaatetta magneettisten värähtelyjen avulla – todellisissa nanolaitteissa, mikä oli aiemmin ehdotettu vain teoriassa. Se toimii tärkeänä perustana uuden tiedonkäsittelyparadigman kehittämiselle spin-aaltojen avulla elektronien sijaan."

Aiheesta aiemmin:

Spin-aaltojen muuttaminen tietotekniikan signaaleiksi

Magnonien viritystä suoraan valolla