Магистраль для спиновых волн

История успеха обработки информации с помощью движущихся электронов медленно подходит к концу. Тенденция к все более и более компактным чипам представляет собой серьезную проблему для производителей, так как повышение степени миниатюризации создает зачастую неразрешимые физические проблемы. Вот почему магнитные спиновые волны могут быть будущим: они быстрее, чем электронные носители заряда, и потребляют меньше энергии. Исследователи из Центра Гельмгольца, Дрезден—Россендорф, (HZDR) и ТУ Дрездена разработали способ управления распространением этих носителей информации на наноуровне целенаправленным и простым способом; до сих пор, это требовало много энергии. Таким образом, они создали основу для наносхем, использующих спиновые волны.

«Наша сегодняшняя обработка информации базируется на электронах, - объяснил д-р Хельмут Шультайсс (Helmut Schultheiss) из Института физики ионных пучков и исследования материалов при HZDR. - Эти заряженные частицы текут по проводам, создавая электрический ток. При этом они сталкиваются с атомами и теряют энергию, которая передается кристаллической решетке в виде тепла. Это означает, что чипы становятся тем горячее, чем ближе элементы на них сгруппированы вместе. В конце концов они отказывают, потому что тепло не может быть отведено». Вот почему д-р Шультайсс, глава Молодежной исследовательской группы им. Эмми Нётер, преследует другой подход: транспорт данных посредством спиновых волн, также известных как магноны.

Спин заставляет электроны вести себя как очень маленькие магниты. Именно поэтому они располагаются параллельно в ферромагнитных материалах. «Если у одного электрона спин устанавливается в противоположном направлении, это будет оказывать влияние и на спины соседних электронов, - объясняет д-р Шультайсс. - Это создаст спиновую волну, которая перемещается по твердому телу. Она может быть использована для транспортировки и обработки данных так же, как перемещение носителей заряда». Однако сами электроны в этом случае не движутся. «Они не сталкиваются с чем-либо и, следовательно, не порождают почти никакого тепла».

Тем не менее, для того чтобы победить в гонке для будущих методов обработки информации, необходимы системы, которые позволяют управлять распространением спиновых волн на наноуровне. «До сих пор подходы к решению были основаны либо на геометрически предопределенных путях в проводнике, либо на постоянном использовании внешних магнитных полей, - говорит д-р Шультайсс, объясняя текущее состояние исследований. - В случае первого решения путь распространения не может быть изменен, однако это необходимо для разработки гибких цепей. Второй способ решает эту проблему, но ценой колоссального увеличения потребляемой мощности».

Ученые успешно разработали новую процедуру для целевого управления спиновыми волнами, используя основные магнитные характеристики: остаточную намагниченность, то есть остаточный магнетизм, который твердое тело сохраняет после удаления магнитного поля, а также формирование так называемых стенок доменов. Этот термин обозначает область в твердых телах, где встречаются по-разному ориентированные магнитные домены. В эксперименте исследователи из HZDR создали такую доменную стенку внутри наноструктуры железоникелевого сплава. Затем они вызвали спиновую волну с помощью микроволн. Как показали их испытания, спиновые волны определенной частоты упирались в доменную стенку, так как различные магнитные домены действуют как барьеры. «В некотором смысле можно сказать, что мы создали дорогу с барьером, вдоль которого спиновые волны движутся управляемым образом», - поясняет результат д-р Шультайсс.

Однако физики из Дрездена смогли отпраздновать еще один успех. Они манипулировали направлением доменной стенки путем небольших внешних магнитных полей - значительно меньших одного миллитесла. При этом они аналогичным образом могут манипулировать распространением спиновых волн. «Это могло бы послужить основой для проектирования реконфигурируемых наносхем, которые используют магноны», - сказал д-р Шультайсс, рассматривая варианты. Тем не менее, исследователь считает, что, скорее всего, пройдет несколько лет перед их применением.

Спиновые волны остается в ловушке доменной стенки, которая образована в середине между различно ориентированными намагниченностями. Исследователи из HZDR могли таким образом управлять их распространением