Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде использовали наноразмерный синтетический антиферромагнетик для управления взаимодействием между магнонами. Это исследование может привести к созданию более быстрых и энергоэффективных компьютеров.
В ферромагнетиках спины электронов направлены в одном направлении. Чтобы сделать будущие компьютерные технологии более быстрыми и энергоэффективными, исследования спинтроники используют спиновую динамику - флуктуации спинов электронов - для обработки информации. Магноны, квантово-механические единицы спиновых флуктуаций, взаимодействуют друг с другом, что приводит к нелинейным особенностям спиновой динамики. Такие нелинейности играют центральную роль в магнитной памяти, осцилляторах спинового момента и многих других приложениях спинтроники.
Например, в развивающейся области магнитных нейроморфных сетей - технологии, которая имитирует мозг - нелинейность необходима для настройки реакции магнитных нейронов. Кроме того, в другой передовой области исследований может оказаться полезным нелинейная спиновая динамика.
«Мы ожидаем консолидации концепций квантовой информации и спинтроники в гибридных квантовых системах», - сказал Игорь Барсуков, доцент кафедры физики и астрономии, который руководил исследованием, опубликованным в Applied Materials & Interfaces. «Нам придется контролировать нелинейную динамику спинов на квантовом уровне, чтобы добиться их функциональности».
Барсуков объяснил, что в наномагнитах, которые служат строительными блоками для многих технологий спинтроники, магноны демонстрируют квантованные уровни энергии. Взаимодействие между магнонами подчиняется определенным правилам симметрии. Исследовательская группа научилась проектировать взаимодействие магнонов и определила два подхода к достижению нелинейности: нарушение симметрии спиновой конфигурации наномагнетика; и изменение симметрии магнонов. Они выбрали второй подход.
«Изменение симметрии магнонов - более сложный, но и более удобный подход», - сказал Арезу Этесамирад, первый автор исследовательской работы и аспирант лаборатории Барсукова.
В своем подходе исследователи подвергли наномагнит воздействию магнитного поля, которое показало неоднородность на характерных нанометровых масштабах длины. Само это наноразмерное неоднородное магнитное поле должно было исходить от другого нанообъекта.
В качестве источника такого магнитного поля исследователи использовали наноразмерный синтетический антиферромагнетик, или САФ, состоящий из двух ферромагнитных слоев с антипараллельной ориентацией спинов. В нормальном состоянии СНФ почти не создает поля рассеяния - магнитное поле, окружающее СНФ, очень мало. Как только он подвергается так называемому спин-флоп-переходу, спины наклоняются, и СНФ генерирует поле рассеяния с неоднородностью в наномасштабе, когда это необходимо. Исследователи контролируемым образом переключали SAF между нормальным состоянием и состоянием спин-флоп, чтобы включать и выключать поле, нарушающее симметрию..
«Мы смогли манипулировать коэффициентом взаимодействия магнонов по крайней мере на один порядок, - сказал Этесамирад. «Это очень многообещающий результат, который можно использовать для разработки когерентной связи магнонов в квантовых информационных системах, создания различных диссипативных состояний в магнитных нейроморфных сетях и управления большими режимами возбуждения в устройствах с вращающим моментом».