Пробив свързва магнетизма и електричеството за по-бързи технологии

Магнитните вълни биха могли да електрифицират бъдещето на ултрабързите, енергийно ефективни изчисления

Ваня Милева Последна промяна на 13 ноември 2025 в 00:00 578 0

Малки магнитни вълни генерират електрически сигнали

Кредит ScienceDaily
Магноните, малки магнитни вълни, са показали, че генерират електрически сигнали, потенциално трансформирайки изчислителната ефективност. Това откритие би могло да доведе до създаването на ултрабързи компютърни чипове с ниска мощност, които обединяват магнитни и електрически системи. 

Открит е начин за свързване на магнетизма и електричеството чрез магнони - малки вълни, които пренасят информация без електрически ток. Тези магнитни вълни могат да генерират измерими електрически сигнали в антиферомагнитни материали, предлагайки възможна основа за ултрабързи компютърни чипове, използващи малко енергия, които обединяват магнитни и електрически системи.

В проучването на инженери от Университета на Делауеър, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, изследователи от Центъра за хибридни, активни и реагиращи материали (CHARM) към университета, съобщават, че магноните - малки магнитни вълни, които се движат през твърди материали - са способни да генерират измерими електрически сигнали.

Това откритие предполага, че бъдещите компютърни чипове биха могли да обединяват директно магнитни и електрически системи, премахвайки необходимостта от постоянен енергиен обмен, който ограничава производителността на днешните устройства.

Как магноните предават информация

Традиционната електроника разчита на потока от заредени електрони, които губят енергия под формата на топлина, движейки се през електрически вериги. За разлика от тях, магноните пренасят информация чрез синхронизираното "въртене" (спин) на електроните, създавайки вълнообразни модели в материала.

Според теоретичните модели, разработени от екипа на Уудланд, когато тези магнитни вълни преминават през антиферомагнитни материали, те могат да индуцират електрическа поляризация, като ефективно създават измеримо напрежение.

Какво представляват спиновете?

Всички твърди тела са изградени от атоми - ядра и електрони. В много вещества електроните са локализирани, тоест всеки електрон е разположен до своя атом. Тези вещества са изолатори. Но въпреки това електроните в тях имат допълнителна квантова степен на свобода - спин. Обикновено може да изглежда 'нагоре' или 'надолу', има стойност от -1/2 и +1/2. Освен тези две основни състояния съществува и суперпозиция (припокриване), която може да се опише така, сякаш спинът гледа и в някаква друга посока. Ако веществото е с висока температура, тогава спиновете на различните атоми сочат в различни посоки. Но те взаимодействат помежду си и затова се обръщат много бързо.

При ниски температури, в вещества с локализирани електрони, посоките на спиновете обикновено са подредени. Това се дължи на факта, че спиновете взаимодействат помежду си и "искат" да намалят енергията на взаимодействието. В зависимост от това как е подредена кристалната решетка и това взаимодействие между спиновете, могат да възникнат различни видове подреждане.

Подреждане на спиновете във феромагнити

Да кажем, че ако всички спинове сочат в една и съща посока, тогава получаваме феромагнит. Може да се намагнетизира дори при липса на магнитно поле. Ако гърбовете се редуват - гледайки нагоре и надолу - получаваме антиферомагнит. Подреждането може да бъде още по-сложно: на триъгълна решетка 1/3 от завъртанията могат да бъдат обърнати в едната посока, 1/3 в другата и 1/3 в третата. Има спираловидни подредби и много други възможности.

И ако температурата е достатъчно висока, тогава спиновете не могат да бъдат подредени?

Ако температурата е по-голяма от енергията на взаимодействие между спиновете, тогава в първото приближение те изглеждат в произволна посока.

Подреждане на спиновете в антиферомагнетици

Можем да кажем, че ситуацията, когато спиновете са подредени, е аналогична на твърдо тяло. Така че, при висока температура, молекулите на течност или газ се движат произволно, а при ниска температура те се подреждат в кристал. Материал с висока температура и без подреждане на спиновете, иначе се нарича парамагнит, той е аналог на газ, а материал при ниска температура, с подредени спинове, е аналог на твърдо вещество.

Към ултрабързи, енергийно ефективни изчисления

Антиферомагнитните магнони могат да се движат с терагерцови честоти – около хиляда пъти по-бързо от магнитните вълни в конвенционалните материали.

Тази изключителна скорост сочи обещаващ път за ултрабързи изчисления с ниска мощност. Изследователите сега работят за проверка на теоретичните си прогнози чрез експерименти и за изследване на взаимодействието на магноните със светлината, което би могло да доведе до още по-ефективни начини за тяхното контролиране.

Напредък в изследванията на квантовите материали

Тази работа допринася за по-голямата цел на CHARM за разработване на хибридни квантови материали за авангардни технологии.

Изследователите от центъра изучават как различни видове материали – като магнитни, електронни и квантови системи – могат да бъдат комбинирани и контролирани, за да се създадат технологии от следващо поколение. Целта на CHARM е да проектира интелигентни материали, които реагират на средата си и дават възможност за пробиви в областта на изчисленията, енергетиката и комуникациите.

Справка: D. Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, Joshua M. O. Zide, M. Benjamin Jungfleisch, John Q. Xiao, Branislav K. Nikolić, Garnett W. Bryant, Matthew F. Doty. Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; 122 (43) DOI: 10.1073/pnas.2507255122

Източник: Breakthrough links magnetism and electricity for faster tech, University of Delaware

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

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

    Няма коментари към тази новина !