Τα ηλεκτρικά σήματα αποκαλύπτουν μαγνητικά κύματα σπιν – Νέα παρατήρηση

Οι σημερινοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες σε μαγνητικούς σκληρούς δίσκους, διατηρώντας τα αρχεία ασφαλή ακόμη και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Όμως, για να εκτελέσουν προγράμματα και να επεξεργαστούν δεδομένα, βασίζονται στην ηλεκτρική ενέργεια. Κάθε υπολογισμός απαιτεί μεταφορά πληροφοριών μεταξύ των ηλεκτρικών και μαγνητικών συστημάτων – μια διαδικασία που αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην ταχύτητα της σύγχρονης υπολογιστικής τεχνολογίας.

Συσκευές που θα ενσωμάτωναν μαγνητικά στοιχεία απευθείας στη λογική επεξεργασία θα μπορούσαν να εξαλείψουν αυτόν τον περιορισμό, επιτρέποντας στους υπολογιστές να λειτουργούν ταχύτερα και με μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση.

Τα μαγνητικά κύματα που μεταφέρουν πληροφορίες

Μαγνητισμός σημαίνει ηλεκτρόνια – μικροσκοπικά σωματίδια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται spin, η οποία μπορεί να «δείχνει» προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Σε έναν τυπικό σιδηρομαγνήτη, όλα τα spins ευθυγραμμίζονται προς την ίδια κατεύθυνση, δημιουργώντας μαγνητικό πεδίο.

«Φανταστείτε ότι υπάρχει ένα ελατήριο που συνδέει όλα αυτά τα spins. Αν εκτρέψω ένα, είναι σαν να τραβάω το ελατήριο. Το επόμενο εκτρέπεται, μετά το επόμενο, και ούτω καθεξής», εξήγησε ο καθηγητής Matthew Doty από το Τμήμα Μηχανικών Υλικών του Πανεπιστημίου του Delaware. «Μπορείτε να το σκεφτείτε σαν ένα slinky: το τεντώνετε και το δίνετε ένα τίναγμα, και ένα κύμα διαδίδεται κατά μήκος του ελατηρίου. Ένα magnon είναι ακριβώς αυτό: ένα κύμα».

Στους σύγχρονους επεξεργαστές, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από καλώδια, δημιουργώντας αντίσταση και χάνοντας ενέργεια ως θερμότητα. Τα magnons, όμως, μεταφέρουν πληροφορίες μέσω του προσανατολισμού των spins, χωρίς να κινούν ηλεκτρικά φορτία — άρα χωρίς απώλειες ενέργειας.

Γιατί οι αντιφερρομαγνήτες είναι το μέλλον

Η νέα μελέτη εστίασε σε αντιφερρομαγνητικά υλικά, στα οποία τα spins εναλλάσσονται πάνω-κάτω. Αυτά τα υλικά είναι ελκυστικά για εφαρμογές υπολογισμού, επειδή τα magnons σε αντιφερρομαγνήτες μπορούν να διαδίδονται σε συχνότητες terahertz – περίπου χίλιες φορές ταχύτερα από εκείνα στους σιδηρομαγνήτες.

Όμως, επειδή η συνολική μαγνήτιση στα αντιφερρομαγνητικά υλικά είναι μηδενική, τα magnons είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν ή να ελεγχθούν.

Ανίχνευση μαγνονίων μέσω ηλεκτρικών σημάτων

Η ερευνητική ομάδα του Delaware, με επικεφαλής τον μεταδιδακτορικό D. Quang To, χρησιμοποίησε υπολογιστικές προσομοιώσεις για να εξετάσει τη συμπεριφορά των magnons σε αντιφερρομαγνητικά υλικά. Προς έκπληξή τους, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι η κίνηση των magnons μπορεί να παράγει ηλεκτρικά σήματα.

«Τα αποτελέσματα προβλέπουν ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε magnons μετρώντας την ηλεκτρική πόλωση που δημιουργούν», δήλωσε ο Doty. «Ακόμη πιο συναρπαστικό είναι ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία ή φως για να ελέγξουμε την κίνησή τους. Μελλοντικές συσκευές που θα αντικαταστήσουν τα συμβατικά καλώδια με κανάλια μαγνονίων θα μπορούσαν να μεταδίδουν πληροφορίες πολύ ταχύτερα και με ελάχιστη σπατάλη ενέργειας».

Το θεωρητικό πλαίσιο και οι επόμενες φάσεις

Η ομάδα ανέλυσε τι συμβαίνει όταν η μία πλευρά ενός υλικού είναι θερμότερη από την άλλη, προκαλώντας ροή magnons από το θερμό προς το ψυχρό άκρο. Ειδικότερα, ήθελαν να κατανοήσουν τον ρόλο της στροφορμής τροχιάς (orbital angular momentum) των magnons, μιας κυκλικής κίνησης που είναι ανεξάρτητη από την ευθύγραμμη διάδοσή τους.

«Αναπτύξαμε ένα μαθηματικό πλαίσιο για να κατανοήσουμε πώς η στροφορμή τροχιάς συμβάλλει στη μεταφορά των magnons», εξήγησε ο To. «Ανακαλύψαμε ότι όταν αυτή η στροφορμή αλληλεπιδρά με τα άτομα του υλικού, δημιουργείται ηλεκτρική πόλωση».

Με άλλα λόγια, τα κινούμενα αντιφερρομαγνητικά magnons μπορούν να παράγουν μετρήσιμη τάση.

«Το πλαίσιο που αναπτύξαμε παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο που επιτρέπει στην ερευνητική κοινότητα να προβλέπει και να χειρίζεται τη συμπεριφορά των magnons», πρόσθεσε ο To.

Από τη θεωρία στην πράξη

Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Delaware έχει ήδη ξεκινήσει πειραματικές δοκιμές για να επαληθεύσει τα προβλεπόμενα αποτελέσματα. Στα επόμενα βήματα, σκοπεύουν να διερευνήσουν πώς τα magnons αλληλεπιδρούν με το φως – για να διαπιστώσουν εάν η στροφορμή του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο ή την ανίχνευση των magnons.

Η έρευνα αυτή ανοίγει τον δρόμο για υπολογιστές νέας γενιάς που θα συνδυάζουν άμεσα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά στοιχεία, προσφέροντας υψηλότερη ταχύτητα, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και νέες δυνατότητες στη φυσική της πληροφορίας.