Metamateriaaleja ja magnoniikkaa

Kaavioesitys metamateriaalin läpi kulkevista spinaalloista sekä tuloksena olevasta aaltospektristä, mikä kuvastaa keinotekoisen kiteen ominaisuuksia.

Fyysikot Venäjältä ja Euroopasta ovat osoittaneet reaalisen mahdollisuuden käyttää suprajohde/ferromagneettista metamateriaalin järjestelmiä magnonisten kiteiden luomiseksi. Sellaiset olisivat piin jälkeisen elektroniikan spinaaltoja käyttävien piirirakenteiden perusta.

Magnoniikka tutkii mahdollisuuksia käyttää spinaaltoja informaation siirtämiseen ja käsittelemiseen. Kun fotoniikka käsittelee fotoneja ja sähkömagneettisia aaltoja, magnoniikan painopiste on spinaalloilla eli magnoneilla, jotka ovat magneettisten momenttien suunnan harmonisia värähtelyjä.

Ferromagneettisissa materiaaleissa elektronien magneettiset momentit eli niiden spinit, kohdistuvat magneettikentän mukaisesti. Magneettisessa järjestelmässä havaittuja spinien suuntien aaltoja kutsutaan spinaalloiksi.

Magnoniikkaa pidetään lupaavana tutkimusalueena piin jälkeisessä elektroniikassa, koska spinaalloilla on useita etuja esimerkiksi mikroaaltofotoneihin nähden. Spinaaltoja voidaan esimerkiksi ohjata ulkoisella magneettikentällä. Mikroaaltojen, jotka ovat olennaisesti sähkömagneettisia aaltoja, keskimääräinen aallonpituus on yksi senttimetri, kun taas samalla mikroaaltotaajuuksien alueella olevien spinaaltojen aallonpituudet ovat mikrometrejä. Siksi näitä hallittavissa olevia aaltoja voidaan käyttää rakentamaan erittäin pienikokoisia mikrorakenteita mikroaaltosignaaleille.

Magneettiset kiteet ovat tärkeimpiä osajärjestelmiä, joita tarvitaan spinaaltojen signaaleja käyttävän laitteen rakentamiseksi. Näillä kiteillä on laaja valikoima potentiaalisia sovelluksia, kuten taajuussuodattimet, hilakytkimet, aaltojohtimet ja transistoreita vastaavat magoniset rakenteet.

Tämän tutkimuksen keskeisin tulos on, että tutkijat ovat osoittaneet mahdolliseksi työskennellä magonisten kiteiden parissa käyttäen suprajohde/ferromagneetti -hybridijärjestelmää. Samalla arkkitehtuurissa havaittiin erikoinen magonikaistarakenne, jolle on tunnusomaista kiellettyjen kaistojen esiintyminen gigahertsin taajuusalueella.

Tutkittu järjestelmä koostui säännöllisestä suprajohtavasta niobium (Nb) -rakenteesta, joka oli asetettu ferromagneettisen Ni80Fe20-permalloy (Py) -ohutkalvon päälle.

Piipohjaisten mikroelektronisten komponenttien kehittämisen teknologinen prosessi on saavuttamassa saatavissa olevien kokojen teoreettisen rajan.

Tässä suhteessa tutkitut suprajohde/ferromagneettijärjestelmät tarjoavat hyvät näkymät aaltoelektroniikalle, koska suprajohtavien materiaalien kriittiset koot ovat alle mikrometrien. Siksi on mahdollista tehdä suprajohtavista elementeistä hyvin pieniä.

Tutkimuksen kirjoittajat uskovat tutkimuksensa tulosten olevan käyttökelpoisia mikroaaltoelektroniikassa ja magnoniikassa, mukaan lukien kvanttimagnoniikan ala. Mahdollisten sovellusten valikoima on kuitenkin edelleen rajallinen, koska järjestelmä ei toimi huonelämpötilassa.

Aiheesta aiemmin:

Miten olisi magnonielektroniikka?

Kaksiulotteinen piiri magneettisilla kvasipartikkeleilla