Електрониката на бъдещето: За първи път физици контролират вълни в магнити

Как учените използват свръхстудена "магия", за да управляват магнитни вълни

Ваня Милева Последна промяна на 02 ноември 2023 в 00:00 13607 0

Илюстрация на експеримента. Илюстрацията показва два златни електрода върху тънък магнитен слой. В средата лежи свръхпроводящ електрод. С левия златен електрод изследователите генерират спинови вълни в магнитния материал, които се движат надясно. Върху ел

Кредит Michael Borst, TU Delft.

Илюстрация на експеримента. Илюстрацията показва два златни електрода върху тънък магнитен слой. В средата лежи свръхпроводящ електрод. С левия златен електрод изследователите генерират спинови вълни в магнитния материал, които се движат надясно. Върху електродите има квадратна диамантена мембрана, която позволява на изследователите да виждат точно през свръхпроводящия електрод.

За първи път квантови физици показват, че е възможно да се контролират и манипулират спинови вълни върху чип, като се използват свръхпроводници. Тези миниатюрни вълни в магнитите могат да предложат алтернатива на електрониката в бъдеще, интересна за енергийно ефективни информационни технологии или свързващи елементи в квантов компютър например. 

Пробивът, публикуван в Science, дава преди всичко нов поглед върху взаимодействието между магнити и свръхпроводници.

Какви са тези магнитни вълни?

Тези малки вълни, наречени "спинови вълни", се движат вътре в определени материали, подобно на вълни в езеро, но в магнити.

Тези вълни могат да носят информация, като например как действат електрическите токове в нашите устройства. Учените смятат, че тези вълни могат да бъдат бъдещето на електрониката и са много по-енергийно ефективни.

"Спиновите вълни са вълни в магнитен материал, които можем да използваме за предаване на информация", обяснява Майкъл Борст (Michael Borst), ръководител на експеримента. "Тъй като спиновите вълни могат да бъдат обещаващ градивен елемент за енергийно ефективен заместител на електрониката, учените от години търсят ефективен начин за контрол и манипулиране на спиновите вълни."

Теорията предвижда, че металните електроди дават възможност за контрол върху спиновите вълни, но физиците почти не са наблюдавали такива ефекти в експеримент досега.

"Пробивът на нашия изследователски екип се състои в това, че показахме, че наистина можем да контролираме правилно спиновите вълни, ако използваме свръхпроводим електрод", обяснява Тоено ван дер Сар (Toeno van der Sar), доцент в катедрата по квантова нанонаука.

Свръхпроводимо огледало

Работи се по следния начин: спиновата вълна генерира магнитно поле, което на свой ред поражда свръхпроводящ ток, тоест електрически ток, който протича без загуби в свръхпроводника. Този свръхток действа като огледало за спиновата вълна: свръхпроводящият електрод отразява магнитното поле обратно към спиновата вълна. Свръхпроводимото огледало кара спиновите вълни да се движат по-бавно нагоре и надолу, а това прави вълните лесно контролируеми. Борст: "Когато спиновите вълни преминават под свръхпроводимия електрод, се оказва, че дължината на вълната им се променя напълно! И като променяме леко температурата на електрода, можем да настроим много точно големината на промяната."

"Започнахме с тънък магнитен слой от итриево-железен гранат (YIG), известен като най-добрия магнит на Земята. Върху него положихме свръхпроводящ електрод и друг електрод за индуциране на спиновите вълни. Чрез охлаждане до -268 градуса приведохме електрода в свръхпроводимо състояние", разказва Ван дер Сар. "Беше удивително да се види, че спиновите вълни стават все по-бавни и по-бавни, колкото по-студено става. Това ни даде уникална възможност да манипулираме спиновите вълни; можем да ги отклоняваме, отразяваме, да ги караме да резонират и др. Но също така ни дава огромни нови познания за свойствата на свръхпроводниците."

Илюстрация на свръхпроводника (долу), който функционира като огледало за спиновите вълни в магнита (горе). Кредит: Scixel & Michael Borst

Уникален сензор

Изследователите визуализират спиновите вълни, като измерват магнитното им поле с уникален сензор - нещо, което е от съществено значение за експеримента. 

"Използваме електроните в диаманта като сензори за магнитните полета на спиновите вълни. Нашата лаборатория е пионер в тази техника. Най-интересното в нея е, че можем да гледаме през непрозрачния свръхпроводник спиновите вълни под него, точно както скенерът за ядрено-магнитен резонанс може да гледа през кожата в нечие тяло", обяснява Ван дер Сар.

Нови вериги

"Технологията на спиновите вълни е все още в начален стадий", подчертава Борст. "Например, за да направим енергийно ефективни компютри с тази технология, първо трябва да започнем да изграждаме малки схеми за извършване на изчисления. Нашето откритие отваря вратата: свръхпроводимите електроди позволяват безброй нови и енергийно ефективни вериги със спинови вълни."

"Сега можем да проектираме устройства, базирани на спинови вълни и свръхпроводници, които произвеждат малко топлина и звукови вълни", добавя Ван дер Сар. "Помислете за версията на спинтрониката на честотните филтри или резонаторите - компоненти, които могат да бъдат открити в електронните схеми на мобилните телефони, например. Или схеми, които могат да служат като транзистори или конектори между кубитите в квантов компютър."

Справка: M. Borst, P. H. Vree, A. Lowther, A. Teepe, S. Kurdi, I. Bertelli, B. G. Simon, Y. M. Blanter, T. van der Sar. Observation and control of hybrid spin-wave–Meissner-current transport modes. Science, 2023; 382 (6669): 430 DOI: 10.1126/science.adj7576

Източник: Controlling waves in magnets with superconductors for the first time, Delft University of Technology

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !