Fale spinowe nowym rodzajem nośnika danych?

Jak zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na urządzenia zapisujące i przesyłające coraz większe ilości danych? Naukowcy z Instytutu Fizyki PAN proponują, aby jako nośnik danych wykorzystać tzw. fale spinowe. O rozpoczynającym się projekcie opowiada jego kierowniczka – dr Ewelina Milińska.

Do przenoszenia i zapisu informacji wykorzystujemy obecnie przede wszystkim osiągnięcia elektroniki – która do przechowywania danych wykorzystuje ładunek elektronu. Z kolei w innej dziedzinie – spintronice – do wykonania tych samych zadań bada się możliwości wykorzystania spinu, czyli kolejnej fundamentalnej właściwości elektronu.

Naukowcy z Instytutu Fizyki PAN proponują jeszcze inne rozwiązanie: nośnikiem danych mogą być tzw. fale spinowe. Prace nad materiałami, które pozwolą na takie ich wykorzystanie, rozpoczęła dr Ewelina Milińska z Instytutu Fizyki PAN.

Czymże jest jednak tajemniczo brzmiąca fala spinowa? Jak sama nazwa wskazuje, związana jest ona ze spinem – czyli właściwością opisującą w dużym uproszczeniu ruch cząstek elementarnych (w tym elektronów) wokół własnej osi. To właśnie kierunki spinów elektronów składają się na moment magnetyczny atomów i decydują o całkowitym namagnesowaniu danego materiału. Naukowcy z IF PAN w swojej pracy wykorzystują możliwość wzbudzenia drgań spinów.

“Wyobraźmy sobie materiał magnetyczny, w którym wszystkie spiny są jednakowo ukierunkowane” – tłumaczy dr Milińska. – “Jeśli odchylę jeden spin, to będzie próbował on wrócić do swojego punktu równowagi. Jednak jego ruch wychwyci już spin sąsiedniego elektronu – i on również się wychyli” – opowiada. Przez wzajemne oddziaływanie między spinami to wychylenie – czyli zaburzone lokalnie namagnesowanie – będzie się rozchodziło w materiale, przyjmując formę fali. To właśnie nazywamy falą spinową.

“Jeśli będziemy w stanie kontrolować rozchodzenie się fal spinowych w materiale – wpływać np. na ich szybkość czy amplitudę – to w parametrach fali spinowej możemy zapisać jakieś informacje” – podkreśla dr Milińska.

Właściwość ta czyni kontrolę nad falami spinowymi atrakcyjnym celem dla technologii informacyjno-komunikacyjnych: fale spinowe są falami krótkimi (z długością fali od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów) i o częstotliwości w zakresie giga- oraz teraherców, co umożliwia projektowanie zminiaturyzowanych urządzeń, których jedna operacja wykonana będzie w czasie krótszym od 1 nanosekundy.

“Urządzenia opierające swoje działanie na tych zjawiskach nie tylko powinny pracować szybciej i wydajniej, ale i mogą rozwiązać problem miniaturyzacji, na który napotykamy dzisiaj przy półprzewodnikach” – mówi dr Milińska. – “Dodatkowo, przy zjawiskach falowych nie mamy transportu ładunku, a w związku z tym eliminowany jest problem ciepła generowanego podczas pracy urządzenia. Naszym celem jest kontrolowanie tych oddziaływań wzbudzanych w materiale magnetycznym, co poza dużym potencjałem aplikacyjnym, jest też ciekawym zagadnieniem naukowym” – dodaje fizyczka.

Nie jesteśmy jednak w stanie bezpośrednio kontrolować poszczególnych spinów – manipulacja parametrami fali spinowej musi się więc odbywać przez dobór odpowiedniego medium, w którym będzie się ona rozchodzić.

Tak więc, choć nowa dziedzina badań zajmująca się zjawiskami związanymi z falami spinowymi – magnonika – rozwija się szybko, do dalszych postępów niezbędne jest stworzenie nowych materiałów, wykorzystujących otwierane przez nią możliwości.

Poszukiwaniami optymalnego materiału do kontrolowania fali spinowej zajmie się dr Milińska i jej współpracownicy w ramach projektu, na który uzyskała finansowanie w ramach konkursu grantowego POWROTY Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Naukowcy planują stworzyć tzw. kryształ magnoniczny – czyli materiał magnetyczny o przestrzennie, periodycznie zmieniających się właściwościach. Stworzone w warunkach laboratoryjnych kryształy, tzw. metamateriały, mogą mieć wyjątkowe właściwości, niewystępujące w przyrodzie; w praktyce stwarza to możliwość pośredniej manipulacji falami spinowymi.

“Jeżeli wzbudzę falę w jednorodnym materiale, to będzie się ona w nim rozchodziła z określoną częstotliwością i amplitudą” – tłumaczy dr Milińska. – “Jeśli jednak w tym samym materiale umieszczę barierę w postaci obszaru o zmienionych parametrach magnetycznych, to ta rozchodząca się fala będzie musiała ulec pewnej zmianie” – dodaje. Periodycznie zmieniające się właściwości materiału mają pozwolić naukowcom uzyskać kontrolę nad parametrami wzbudzanej w krysztale fali spinowej.

Badania skoncentrowane będą na trzech grupach materiałów. Pierwszą będą heterostruktury kobalt/platyna – czyli nałożone na siebie warstwy tych pierwiastków. “Taki układ będziemy następnie bombardować jonami” – opowiada dr Milińska. – “Za pomocą tego naświetlania chcemy stworzyć w materiale +paski+ lokalnie zmienionych parametrów magnetycznych. Ten właśnie magnetyczny wzór będzie modyfikować propagującą w nim falę spinową”.

Materiały z drugiej grupy będą składały się z tych samych pierwiastków: kobaltu i platyny. Tym razem będą to jednak tzw. wielowarstwy – czyli kilkanaście lub kilkadziesiąt ultracienkich warstw, ułożonych jedna na drugiej. W wyniku różnego rodzaju oddziaływań w tych warstwach tworzy się tzw. paskowa struktura domenowa – czyli spontanicznie namagensowane obszary, w których występuje uporządkowanie momentów magnetycznych.

Prace naukowców dążą do uzyskania równoległego ułożenia pasków o namagnesowaniu wzajemnie prostopadłym. Taka struktura domenowa będzie mogła być łatwo zmieniona przez przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego, co znajdzie wyraz we właściwościach wzbudzonej w takim układzie fali spinowej.

Z kolei składnikami trzeciej grupy materiałów, którą będzie badać dr Milińska, będą kobalt oraz molibden: warstwa molibdenu będzie tutaj przedzielać dwie magnetyczne warstwy kobaltu. Za pomocą naświetlania naukowcy będą modulować oddziaływania właśnie pomiędzy warstwami magnetycznymi. “Jest to zupełnie coś innego, ponieważ w tym przypadku kryształ magnoniczny, który powstaje, jest objętościowy – oddziaływania będą odbywać się między całymi warstwami magnetycznymi” – mówi dr Milińska.

“Obecnie najczęściej bada się jedno- lub dwuwymiarowe kryształy uzyskane przez strukturyzację w płaszczyźnie. Natomiast, jeśli w takim trójwymiarowym krysztale wzbudzimy fale, to – według naszych przewidywań – powinny się one zachowywać inaczej. Jeśli udałoby się nam kontrolować takie zmiany w objętościowym krysztale magnonicznym, byłoby to coś zupełnie wyjątkowego, co do tej pory było tylko przewidywaniem teoretycznym” – podkreśla.

Dr Milińska chce również wykorzystać swoje badania do stworzenia sprawnego zespołu naukowego. „Dzięki finansowaniu z FNP mamy dobre warunki pracy w nowej dziedzinie fizyki, w magnonice” – stwierdza. W tym momencie zespół poszukuje osoby do pracy na stanowisku doktoranta. Projekt będzie realizowany w Instytucie Fizyki PAN we współpracy z prof. Andrzejem Wawro oraz grupami prof. Andrzeja Maziewskiego z Uniwersytetu w Białymstoku, prof. Macieja Krawczyka z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz dr Romana Bottgera z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

źródło: PAP – Nauka w Polsce