德国亥姆霍兹研究中心协会 沿着磁畴壁传播的自旋波
信用:HZDR / Juniks 近年来，电子数据处理只向一个方向发展:该行业已将其组件缩小到纳米范围
但是这个过程现在已经达到了它的物理极限
因此，亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究所的研究人员正在探索自旋波，即所谓的磁振子——一种在更紧凑的微芯片中传输信息的有希望的替代方案
他们与国际伙伴合作，成功地产生并控制了极短波长的自旋波
正如他们在《自然纳米技术》杂志上解释的那样，物理学家通过利用自然磁现象实现了这一壮举
长期以来，在信息技术领域有一个可靠的经验法则:微处理器上的晶体管数量大约每两年翻一番
由此带来的性能提升给我们带来了我们现在认为理所当然的数字机遇，从高速互联网到智能手机
但是随着芯片上的导体变得越来越细，我们开始面临问题
HZDR离子束物理和材料研究所的塞巴斯蒂安·温茨解释说:“流经现代微处理器的电子由于电阻而加热芯片
超过某一点，芯片就失效了，因为热量不再能逸出
“这也阻止了组件速度的进一步提高
这就是为什么这位目前也在瑞士保罗·舍勒研究所工作的物理学家为信息载体设想了一个不同的未来
温茨和他的同事们没有利用电流，而是利用了电子的一种特殊属性——自旋
这些微小的粒子表现得就好像它们一直在绕着自己的轴旋转，从而产生了一个磁矩
在某些磁性材料中，如铁或镍，自旋通常是相互平行的
如果这些自旋的方向在一个地方发生改变，这种破坏就会传播到邻近的粒子，引发一种自旋波，这种自旋波可以用来编码和分发信息
“在这种情况下，电子保持在原来的位置，”温茨说，并描述了它们的优势
“它们几乎不产生任何热量，这意味着基于自旋的组件可能需要更少的能量
" 怎么才能控制波？ 然而，到目前为止，有两个基本的挑战使自旋波的使用变得复杂:可以产生的波长对于芯片上的纳米尺寸结构来说不够短，并且没有办法控制自旋波
塞巴斯蒂安·温茨和他的同事现在已经能够找到这两个问题的解决方案
“与通常用来激发电波的人工制造的天线不同，我们现在使用的是在材料内部自然形成的天线，”第一作者Dr
沃尔克·斯卢卡解释道
为此，我们制作了包含两个铁磁圆盘的微元件，这两个圆盘通过钌间隔物反铁磁耦合
此外，我们选择了磁盘的材料，使得自旋更喜欢沿着空间中的特定轴排列，从而产生所需的磁模式
" 在这两层中，这产生了由所谓的磁畴壁分隔的不同磁化区域
科学家随后将这些层暴露在频率为1千兆赫或更高的交变磁场中
使用德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的x光显微镜，他们能够观察到具有平行波前的自旋波沿着垂直于磁畴壁的方向传播
“在以前的实验中，波浪的波纹看起来就像鹅卵石碰到水面时的波纹，”斯卢卡报道
“这不是最优的，因为随着波向各个方向传播，振荡会迅速衰减
为了保持同样的类比，波浪现在看起来好像是由一根在水中来回移动的长杆产生的
" 正如x光图像显示的那样，这些自旋波可以在波长仅为100纳米的情况下传播几微米，而不会有任何显著的信号损失——这是在现代信息技术中使用它们的必要前提
此外，物理学家发现了一种可能的方法来控制这种新的信息载体，当他们设置刺激频率低于半千兆赫
因此，自旋波仍然被困在磁畴壁中:“在这种情况下，波甚至能够以曲线运行，”沃尔克·斯卢卡说，并补充说:“尽管如此，我们仍然能够检测到信号
“研究人员的研究结果为基于自旋波的电路的进一步发展奠定了重要基础
塞巴斯蒂安·温茨预测，从长远来看，这可能会促成一种全新的微处理器设计:“利用磁场，我们可以相对容易地移动磁畴壁
这意味着与自旋波一起工作的芯片不一定需要预定义的架构，但是它们可以在以后被改变和调整以完成新的任务
"
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