自旋电子学 极短的自旋波在一种非常简单的材料中

由于具有提高计算机速度和智能手机效率的潜力,自旋电子学被认为是未来电子产品的一个有前途的概念。在包括马克斯普朗克智能系统研究所(MPI-IS)和Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)在内的合作中,研究团队现已成功地比以前认为更容易,更有效地产生所谓的自旋波。可能。研究人员将在“物理评论快报”杂志上发表他们的研究结果。

现代计算机芯片基于传输电荷:每个处理事件导致电子电流在电子元件中流动。这些电子遇到电阻,产生不希望的热量。芯片上的结构越小,散热越困难。这种基于电荷的架构也部分地说明了处理器的时钟频率几年来没有出现任何显着增长的原因。芯片性能和速度的良好,稳定的发展曲线现在变得扁平化。“现有概念已达到极限,”HZDR离子束物理与材料研究所的Sebastian Wintz博士解释道。“这就是为什么我们正在制定一项新战略,即自旋波。”

这种方法不再涉及传输电荷,而只是将电子的固有角动量(,自旋')转移到磁性材料中。电子本身保持静止,而只有它们的自旋变化。由于相邻电子的自旋相互感应,一次旋转的变化可以传播到它的邻居。结果是磁信号像波一样穿过材料 - 自旋波。旋转动力组件的优势在于它们产生的热量非常少,这意味着它们可能会消耗更少的能量 - 这对智能手机等移动设备非常有用。对于某些应用,还可以进一步小型化部件,因为自旋波具有比可比较的电磁信号短得多的波长,例如在移动通信中。

用磁铁涡旋搅拌自旋波

在我们做所有这些之前,我们首先需要更多的基础研究。例如,我们需要知道如何有效地产生自旋波。专家们一直试图解决这个问题,将微米级金属条粘贴在薄磁层上。穿过该条带的交流电流产生的磁场限于非常小的空间。然后该场将激发磁层中的自旋波。但是这种方法有一个缺点:难以使产生的自旋波的波长小于金属带的宽度 - 这对于开发具有纳米尺寸结构的高度集成的部件是不利的。

然而,还有另一种选择:塑造成圆盘的磁性材料可以形成磁性涡流,其磁芯的尺寸不超过约10纳米。然后,磁场可以使该涡旋核心振荡,从而触发该层中的自旋波。“不久前,我们需要相对复杂的多层材料来实现这一目标,”Wintz报道。“现在我们已经设法用一种非常简单的材料从涡核发出自旋波。”它们使用易于制造的厚度约为100纳米的镍铁合金层。

出乎意料的短波长

令人瞩目的是产生的自旋波的波长 - 仅为80纳米。“专家组对我们用如此简单的材料做到这一点感到惊讶,”Georg Dieterle博士说道,他在MPI-IS的博士论文中探讨了这一现象。“我们也没想到能够在较低的千兆赫范围内产生这样的短波。”专家认为短波长的原因在于它们的行进方式。靠近镍铁层的横截面中心,自旋波形成一种“结”,其内部磁性方向仅上下振动而不是沿其通常的圆形轨迹振荡。

为了使这些现象可见,该团队在柏林Helmholtz Zentrum的电子存储环BESSY II上使用了一个特殊的X射线显微镜。“这是地球上唯一一个在这种组合中提供必要的空间和时间分辨率的地方,”MPI-IS主任GiselaSchütz教授强调说。“没有这种显微镜,我们就无法观察到这些影响。”现在专家们希望他们的结果将有助于进一步发展自旋电子学。“例如,我们的涡流核心可以作为一个局部的,可控制的源,用于探索潜在的现象,并利用基于自旋波的组件开发新的概念,”Dieterle项目。“我们观察到的自旋波可能与高度集成的电路有关。”

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为了帮助回答这些研究问题,HZDR运营着大型设施,这些设施也被访问研究人员使用:离子束中心,德累斯顿高磁场实验室和ELBE高功率辐射源中心。HZDR是亥姆霍兹协会的成员,拥有五个站点(德累斯顿,弗赖贝格,格勒诺布尔,莱比锡,汉堡附近的Schenefeld),拥有近1200名员工,其中约500名是科学家,其中包括150名博士。候选人。