В сотрудничестве с учёными из Германии исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) продемонстрировали, что спиральную геометрию крошечных, скрученных магнитных трубок можно использовать для передачи данных на основе квазичастиц, называемых магнонами, а не электронами.
Магноника — это новое направление в инженерии, целью которого является высокоскоростное и эффективное кодирование информации без потерь энергии, которые обременяют электронику. Эти потери возникают, когда электроны, проходя через схему, генерируют тепло, но магнонные системы вообще не связаны с потоком электронов.
Вместо этого к магниту прикладывается внешнее магнитное поле, нарушающее магнитную ориентацию (или «спин») электронов магнита. Это нарушение позволяет создать специальное коллективное возбуждение, называемое спиновой волной (магноном), которая распространяется через магнит — подобно тому, как рябь распространяется по поверхности пруда, — в то время как сами электроны остаются на месте.
Несмотря на преимущество отсутствия потока электронов, трёхмерные (3D) магнонные системы в основном остаются экспериментальными, поскольку обычно требуют сильных магнитных полей или чрезвычайно низких (криогенных) температур, что делает их несовместимыми с массовыми устройствами.
Теперь исследователи из Лаборатории наномасштабных магнитных материалов и магноники (LMGN) в Инженерной школе EPFL сделали магнонику на шаг ближе к реальному применению, одновременно устранив необходимость в экстремальных температурах и представив методологию 3D-изготовления.
Физически скручивая наноразмерные трубки из ферромагнитного никеля, команда индуцировала особое свойство, называемое хиральностью, при котором симметрия объекта отличается от симметрии его зеркального изображения. Эта асимметрия заставляет магноны течь только в одном направлении вдоль оси трубки, создавая важную возможность для кодирования двоичной информации и передачи сигналов на чипе. Например, паттерн потока магнонов, обнаруженный в «правом» спиральном изгибе, может представлять 0, а в «левом» — 1.
Руководитель LMGN Дирк Грундлер говорит, что инженерный подвиг также создаёт диод, ключевой компонент электронных технологий, который пропускает сигналы только в одном направлении. «По сути, мы создали 3D-диод для магнонов, который в то же время может кодировать данные при комнатной температуре». Исследование было опубликовано в Nature Nanotechnology.
Процесс наноинженерии команды, впервые разработанный Хуиксин Гуо и бывшим исследователем LMGN Минграном Сюй, включает в себя 3D-печать скрученного полимерного стержня и покрытие его чрезвычайно тонким слоем никеля.
В то время как некоторые материалы спонтанно проявляют хиральные свойства при криогенных температурах, учёные из EPFL обнаружили, что их подход, основанный на геометрии, привёл к более сильному хиральному эффекту, чем наблюдалось в природе. Симуляции и теоретические расчёты показывают, что уменьшение размеров трубок и изменение их спиральной кривизны может дополнительно усилить этот эффект.
«Мы единственная группа в мире, которая может производить эти структуры из никеля, который сам по себе не обладает хиральными свойствами. Поэтому мы, по сути, «наносим» хиральность, используя только 3D-геометрию», — подытоживает исследователь LMGN Аксель Динен.
Их процесс изготовления, который можно использовать для массового производства ферромагнитных трубок, полностью совместим с массовыми технологиями микросхем, используемыми в микроэлектронной промышленности — без сильных магнитных полей, специальных материалов или экстремальных температур. Хотя для «программирования» трубок и спиновых волн используется магнитное поле, эта магнонная информация сохраняется без какого-либо движущегося заряда, что делает её стабильным и энергонезависимым методом кодирования.
Грундлер добавляет, что, глядя в будущее, работа может способствовать внедрению технологии магноники в качестве движущей силы нейроморфных вычислений для искусственного интеллекта. «Аппаратные нейроморфные вычисления являются ключом к оптимизации приложений ИИ, но, как и мозг, это имеет смысл только с точки зрения трёхмерных архитектур и низкого энергопотребления. Наша технология теперь готова поддержать это».
Предоставлено Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.