Более быстрая и эффективная передача информации

Будь то смартфоны, ноутбуки или мэйнфреймы - передача, обработка и хранение информации в настоящее время основаны на одном классе материалов - как это было на заре информатики около 60 лет назад. Однако новый класс магнитных материалов может поднять информационные технологии на новый уровень. Антиферромагнитные изоляторы обеспечивают скорость вычислений в тысячу раз выше, чем у обычной электроники, при значительно меньшем нагреве. Компоненты могут быть упакованы ближе друг к другу, и логические модули, таким образом, могут стать меньше, что до сих пор было ограничено из-за повышенного нагрева современных компонентов.

До сих пор проблема заключалась в том, что передача информации в антиферромагнитных изоляторах работала только при низких температурах. Но кто захочет положить свой смартфон в морозильную камеру, чтобы пользоваться им? Физики из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) теперь смогли устранить этот недостаток вместе с экспериментаторами из лаборатории CNRS/Thales, CEA в Гренобле и Национальной лаборатории сильных полей во Франции, а также теоретиками из Центра квантовой спинтроники (QuSpin) в Норвежском университете науки и технологий. «Мы могли передавать и обрабатывать информацию в стандартном антиферромагнитном изоляторе при комнатной температуре, и делать это на достаточно больших расстояниях, чтобы можно было обрабатывать информацию», - сказал ученый из JGU Эндрю Росс (Andrew Ross). Исследователи использовали оксид железа (α-Fe2O3), основной компонент ржавчины, в качестве антиферромагнитного изолятора, поскольку оксид железа широко распространен и прост в производстве.

Передача информации в магнитных изоляторах стала возможной благодаря возбуждениям магнитного порядка, известным как магноны. Они движутся как волны через магнитные материалы, подобно тому, как волны движутся по водной поверхности пруда после того, как в него был брошен камень. Ранее считалось, что эти волны должны иметь круговую поляризацию, чтобы эффективно передавать информацию. В оксиде железа такая круговая поляризация возникает только при низких температурах. Однако международная исследовательская группа смогла передать магноны на исключительно большие расстояния даже при комнатной температуре. Но как это работает? «Мы поняли, что в антиферромагнетиках с одной плоскостью два магнона с линейной поляризацией могут перекрываться и мигрировать вместе. Они дополняют друг друга, образуя примерно круговую поляризацию, - пояснил д-р Ромен Лебрен (Romain Lebrun), исследователь совместной лаборатории CNRS/Thales в Париже. - Возможность использования оксида железа при комнатной температуре делает его идеальной площадкой для разработки сверхбыстрых устройств спинтроники на основе антиферромагнитных изоляторов».

Важный вопрос в процессе передачи информации - насколько быстро информация теряется при перемещении через магнитные материалы. Количественно это можно зафиксировать с помощью величины магнитного затухания. «Исследованный оксид железа имеет одно из самых низких значений магнитного затухания, которое когда-либо регистрировалось в магнитных материалах, - пояснил профессор Матиас Кляуи (Mathias Kläui) из Института физики JGU. - Мы ожидаем, что методы сильного магнитного поля покажут, что другие антиферромагнитные материалы имеют такое же низкое затухание, что имеет решающее значение для разработки спинтронных устройств нового поколения. Мы разрабатываем такие маломощные магнитные технологии в долгосрочном сотрудничестве с нашими коллегами в QuSpin в Норвегии, и я рад видеть, что в результате этого сотрудничества появилась еще одна захватывающая работа».

Электрический ток возбуждает суперпозицию двух магнонов с линейной поляризацией (указано красными и синими стрелками). Впоследствии энергия переносится через антиферромагнитный изолятор. Это можно определить по электрическому напряжению