Auf der ganzen Welt wird nach Alternativen zu unserer aktuellen elektronischen Computertechnologie geforscht, da große, elektronenbasierte Systeme ihre Grenzen haben. Auf dem Gebiet der Magnonik entsteht eine neue Art der Informationsübertragung. Anstelle des Elektronenaustauschs könnten auch die in magnetischen Medien erzeugten Wellen zur Übertragung genutzt werden, doch die auf Magnonik basierende Berechnung war bisher (zu) langsam.
Wissenschaftler der Universität Wien haben nun eine bedeutende neue Methode entdeckt. Wenn die Intensität erhöht wird, werden die Spinwellen kürzer und schneller – ein weiterer Schritt in Richtung Magnon-Computing. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Die Magnonik ist ein relativ neues Forschungsgebiet des Magnetismus, in dem Spinwellen eine zentrale Rolle spielen. Eine lokale Störung der magnetischen Ordnung eines Magneten kann sich als Welle durch ein Material ausbreiten. Diese Wellen werden Spinwellen genannt und die zugehörigen Quasiteilchen werden Magnonen genannt. Sie übertragen Informationen in Form von Drehimpulsimpulsen. Aufgrund dieser Eigenschaft können sie als stromsparende Datenträger in kleineren und energieeffizienteren Computern der Zukunft eingesetzt werden.
Die größte Herausforderung in der Magnonik ist die Wellenlänge. Je größer es ist, desto langsamer sind magnonbasierte Datenverarbeitungseinheiten. Bisher konnte die Wellenlänge nur mit sehr komplexen Hybridstrukturen oder einem Synchrotron verkürzt werden. Die Forschungsgruppe Nanomagnetismus und Magnononik der Universität Wien hat gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland, Tschechien, der Ukraine und China eine einfachere Alternative entwickelt.
Erstautor Qi Wang machte nach monatelanger Arbeit im Brillouin-Labor für Lichtstreuungsspektroskopie an der Fakultät für Physik der Universität Wien die entscheidende Beobachtung: Wenn man die Intensität erhöht, werden die Spinwellen kürzer und schneller – eine bahnbrechende Methode für magnonische Berechnungen.
Co-Autor der Studie und Leiter des Wiener NanoMag-Teams, Andrii Chumak, erklärt die Entdeckung mit einer Metapher: „Es ist hilfreich, sich die Methode mit Licht vorzustellen. Wenn man die Wellenlänge des Lichts ändert, ändert sich seine Farbe. Aber wenn man „Ändern Sie die Intensität, nur die Leuchtkraft ändert sich. In diesem Fall haben wir einen Weg gefunden, die Farbe zu ändern, indem wir die Intensität der Spinwellen ändern. Dieses Phänomen ermöglichte es uns, viel kürzere und viel bessere Spinwellen anzuregen“, sagte Chumak.
Die aktuelle Wellenlänge dieses Systems beträgt etwa 200 Nanometer. Numerischen Simulationen zufolge wäre es möglich, noch kleinere Wellenlängen anzuregen, aber zum jetzigen Zeitpunkt ist es sehr schwierig, diese Größenordnungen anzuregen oder zu messen.
Auch für zukünftige magnetische integrierte Schaltkreise sind die Amplituden der Spinwellen entscheidend. Das entdeckte System weist eine selbsthemmende nichtlineare Verschiebung auf, was bedeutet, dass die Amplitude der angeregten Spinwellen konstant ist. Diese Eigenschaft ist für integrierte Schaltkreise sehr relevant, da sie es ermöglicht, dass verschiedene magnetische Elemente mit derselben Amplitude zusammenarbeiten. Dies wiederum ist von grundlegender Bedeutung für den Aufbau komplexerer Systeme und für die Verwirklichung des fernen Ziels eines magnonbasierten Computers.
Das Endziel, ein voll funktionsfähiger Magnon-Computer, ist noch nicht erreicht. Dennoch bringt dieser solide Meilenstein die Forscher ihrem Ziel ein gutes Stück näher.
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Qi Wang et al., Tief nichtlineare Anregung selbstnormalisierter kurzer Spinwellen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg4609