磁體的磁性順序中的局部擾動會以波的形式在整個材料上傳播,這些波稱為自旋波,其相關的晶格中電子自旋結構集體激發的準粒子稱為磁振子(英語:Magnon)。
關于磁振子的研究,發展成為了納米科學中的一個新型的科學領域,稱為磁振子學(英語:Magnonics)。
磁性提供了創建我們現在所使用的功能強大的計算機的途徑方法,但是在納米級實現磁性計算以提供功能更強大、更節能的計算機一直是一項艱巨的挑戰。
現在,由德國凱撒斯勞滕工業大學,德國耶拿信達電子和維也納大學組成的一個聯合研究團隊在《納米快報》上報道了他們使用利用磁振子來開發新型計算機的一項重大進展,從而可能為新型計算機開辟道路。
這種使用磁振子的新一代計算機可能會更強大,并且消耗更少的能量。為此,一個主要的先決條件是能夠制造出所稱的單模波導(single-mode waveguides),使科學家能夠使用基于波的先進信號處理方案。這需要將結構的尺寸縮小到納米尺度。這樣的開發將相當于打開進入人腦功能的神經形態計算系統的開發之門。
然而,將磁振子技術的規模縮小到納米規模具有挑戰性。用于磁振子應用的非常具有前景的材料是釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet,簡稱:YIG)。釔鐵石榴石歷來是稱為是一種高貴的磁性材料。磁振子在這種材料內的壽命是其它材料內的一百倍。
項目負責人、維也納大學的Andrii Chumak教授說。 “如果您嘗試用它制造出微小的結構,那么對于釔鐵石榴石是非常復雜且難以操作。所以釔鐵石榴石結構幾十年來最小都具有毫米大小。現在,研究團隊終于設法將尺寸降低到了50納米,比過去要小大約10萬倍。
德國凱撒斯勞滕工業大學的納米結構中心開發了一項特殊的生產的釔鐵石榴石膠片的新技術。在釔鐵石榴石的頂部制作了一層稱為掩模的薄金屬層,使大部分薄膜暴露在外。然后,試樣被強力的氬離子流轟擊,從而去除了釔鐵石榴石未被保護的部分,而掩模下面的材料則保持不變。然后,去除金屬掩膜,露出成品釔鐵石榴石的50納米的細條。
如圖所示,左面板顯示了50納米的釔鐵石榴石波導的顯微照片。激發的自旋波沿條帶傳播。右側面板顯示磁振納米纖維波導的放大部分,并將其大小與目前流行的新冠病毒進行了比較。
對于整個這樣的技術過程的成功,至關重要的是,要找到適合掩模罩的材料,找出其厚度,并調整數十種不同的參數,以保存釔鐵石榴石的特性。 “經過幾年的研究,研究團隊終于找到了所要尋找的鉻和鈦層組合的掩模層。
該釔鐵石榴石結構的尺度大約比人的頭發的厚度小一千倍。成功構造之后,科學家們繼續研究磁振子的傳播,以評估納米級釔鐵石榴石結構是否保持了釔鐵石榴石膜的優異材料性能。
研究團隊表示:我們能夠證明該結構化過程對這種材料的出色性能產生很小的影響。” “此外,我們能夠通過實驗證明,磁振子能夠像以前理論上所預測的那樣,有效地在磁振通道中長距離有效地承載信息。這些結果是磁導電路發展的重要里程碑,證明了基于磁振子納米纖維的數據處理的一般可行性,為新型計算機的構造開辟了道路。
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