Brnianski vedci vyvinuli novú metódu merania vlastností krátkych spinových vĺn. Výsledky ich výskumu zverejnil časopis Science Advances.
Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Fyzici z brnianskeho CEITEC VUT (Stredoeurópskeho technologického inštitútu Vysokého učenia technického v Brne) vyvinuli novú metódu, ktorá dokáže merať vlastnosti krátkych spinových vĺn. Môžeme si ich predstaviť ako vlnenie v magnetických materiáloch, ktoré vedia prenášať informáciu. Krátke spinové vlny majú potenciál nájsť uplatnenie v novej generácii výpočtových zariadení, napríklad pri čipoch do počítačov a telefónov. Novovyvinutá metóda prekonáva doteraz neprekonateľnú bariéru v bádaní. Výsledky ich niekoľkoročného výskumu teraz zverejnil prestížny časopis Science Advances.
Jakub Krčma z Fakulty strojného inžinierstva VUT a Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT sa venujú magnonike, fyzikálnej disciplíne, ktorá sa zaoberá spinovými vlnami. „Spinové vlny by sme si mohli predstaviť ako kolektívny pohyb mnohých navzájom sa ovplyvňujúcich streliek kompasu v magnetickej látke. Inak povedané, ide o vlnenie, ktoré sa šíri vnútrajškom takej látky a zároveň pri tom prenáša zakódovanú informáciu,“ uvádza v úvode Ondřej Wojewoda, ktorý teraz pôsobí v Ústave materiálových vied a inžinierstva (DMSE) na americkej Massachusettskej technickej univerzite (MIT).
Limity mikroskopie Brillouinovho rozptylu svetla
K štúdiu spinových vĺn sa používa optická technika, takzvaná mikroskopia Brillouinovho rozptylu svetla (µBLS). Môžeme si ju predstaviť ako laserovú lupu: objektív zaostrí laser na veľmi malé miesto na vzorke a informácie o materiáli sa vyčítajú zo zmien svetla po interakcii s ním. Má to však háčik: táto „lupa“ má svoje limity. Funguje totiž dobre len pri pozorovaní vĺn s vlnovou dĺžkou viac než 300 nanometrov, kratšie spinové vlny sa takto zmerať nedajú.
Tristo nanometrov, limit metódy µBLS, neznie ako veľké číslo, veď nanometer je len milióntina milimetra, takže sa pohybujeme na úrovni veľkosti niektorých vírusov. Je však potrebné uvedomiť si, že v kontexte dnešnej elektroniky je 300 nanometrov násobne viac než veľkosť tranzistora v modernom čipe. Ak teda uvažujeme o uplatnení spinových vĺn v modernej elektronike, narážame na limity tejto metódy. Krátke spinové vlny, ktoré sú kľúčové pre budúcu miniaturizáciu čipov, sa skrátka nedajú nijako zmerať.
Jedinou možnosťou, ako zmerať kratšie spinové vlny, boli doteraz obrie a drahé urýchľovače častíc nazývané synchrotróny, ani tie však nedokázali zachytiť krátke vlny. Výskum tak pribrzdila neprelomiteľná bariéra.
Metóda, s ktorou sa dajú merať krátke spinové vlny
V novej štúdii publikovanej v prestížnom časopise Science Advances vedci opísali novú metódu, nazvali ju Mie BLS, ktorá túto doteraz neprekonateľnú bariéru odstraňuje. Spočíva v tom, že na povrch vzorky umiestnili veľmi tenké kremíkové prúžky (nanorezonátory), ktoré zafungovali ako zosilňovače a navádzacie šošovky pre svetlo.
„Pomocou Mieho rezonancie dokážeme svetlo zaostriť a zosilniť tak, že už nie je zviazané vlastnou vlnovou dĺžkou. Nanorezonátory fungujú ako prostredník, ktorý umožní svetlu komunikovať aj s kratšími spinovými vlnami, ktoré boli doteraz neviditeľné,“ vysvetlil Jakub Krčma.
„Tento náš postup je prevratný v tom, že nadväzuje na už existujúcu optickú metódu a zlepšuje ju tak, že teraz môžeme pohodlne merať tieto krátke spinové vlny, a to dokonca so štandardným laboratórnym vybavením,“ uviedol Ondřej Wojewoda. Vedcom sa tak podarilo prelomiť bariéru, ktorá sa dlho zdala neprekonateľná.
Otvára dvere k výrobe magnonických čipov
Se schopnosťou pozorovať a merať krátke spinové vlny sa otvárajú dvere k návrhu a výrobe takzvaných magnonických čipov, kde je prenos informácie založený na krátkych spinových vlnách. Tie by mohli zásadne zmeniť možnosti výpočtovej techniky, pretože sa neprehrievajú. Spinové vlny totiž neprenášajú elektrický náboj, takže neprodukujú teplo na rozdiel od elektrického prúdu. Navyše spotrebujú až o dvadsaťkrát menej energie než dnešná elektronika, čo je v čase ustavičných diskusií o energetickej náročnosti moderných technológií celkom zásadné.
Metóda nájde využitie i mimo výpočtovej techniky – v materiálových vedách, biológii či diagnostike mikrotrhlín v kritických súčiastkach, napríklad v leteckom priemysle.
Zdroj: TS CEITEC
(zh)
