Sciencemag.cz
Doporučujeme
Magnon dá pokládat za kvantovou spinovou vlnu, která při svém šíření převrací spiny.
Tři nezávislé skupiny fyziků představily prvky, které by mohly vést k prakticky použitelným spintronickým obvodům. Nizozemští fyzici vytvořili zařízení, které nazvali „magnonový tranzistor“, čínští a němečtí vědci zase představili verze „magnonového ventilu“.
Spintronika je obor elektroniky, která používá spin elektronů k ukládání, přenosu a zpracování informací. Pokud by se tuto techniku podařilo efektivně zvládnout, mohlo by to vést k velmi kompaktním a výkonným elektronickým obvodům a počítačům. Spin elektronu nabývá pouze diskrétních hodnot a právě tuto vlastnost je možné využít ke zpracování informací.
Fyzici se snaží vyvíjet stále menší a výkonnější elektronická zařízení. Použití spinu elektronu spolu s elektrickým nábojem poskytuje při zpracování informací další stupeň volnosti, který může vést právě k požadovaným menším prvkům. Navíc prvky využívající spinu mohou být zpracovány tak, že potřebují mnohem méně energie než konvenční elektronické prvky, což je další faktor, který usnadňuje miniaturizaci.
Spintronika, založená na elektronu jako nosiči informace, nabízí řadu dalších možností, které se vědci a inženýři snaží pochopitelně využít. Jednou z nich je právě magnon, kvazičástice umožňující kolektivní excitaci elektronové spinové struktury v magnetickém materiálu. Z hlediska kvantové mechaniky se magnon dá pokládat za kvantovou spinovou vlnu. Nese určité množství energie a má celočíselný spin –1, takže se chová jako bozon. Magnony se šíří jako vlny, které při svém šíření převracejí spiny.
Magnonické obvody pracují výhradně se spinovým proudem, zatímco ty spintronické zahrnují jak proud elektrického náboje, tak i spinový proud. Magnon si lze představit jako řadu spinů směřujících nahoru a reprezentujících magnetický materiál. Když se spin na jednom konci řady rychle obrátí, vede to k šíření vlny, která se pohybuje materiálem – každý spin ovlivňuje svého souseda. Magnon se může šířit rychle a účinně na dlouhé vzdálenosti (v nejlepších materiálech jde až o centimetry) bez podstatné ztráty energie nebo zahřívání materiálu. To elektrony nemohou dokázat. Jenže než se začnou konstruovat efektivní magnonické obvody, je potřeba vytvořit prvky, které mohou řídit velikost magnonového proudu. A to jsou právě zmíněné magnonové tranzistory, resp. magnonové ventily.
V nových pracích, které popisují prvky s magnony, vědci z německého Mainzu a z čínského Pekingu ukázali, že magnonový proud může být řízen změnami relativní orientace magnetizace dvou magnetických vrstev. I když jsou vyrobeny z různých materiálů, oba prvky obsahují sendvič ze dvou magnetů oddělených nemagnetickou vložkou. Srovnáním magnetických momentů v sendviči paralelně nebo antiparalelně byli fyzici schopni zvyšovat nebo snižovat velikost magnonového proudu, takže prvky pracovaly jako ventily.
Oba prvky vykazují typické chování spinového ventilu a efekt je tak silný, že by v budoucnu mohl být použit jako stabilní logický prvek. Teď je však v první řadě potřeba kvantifikovat modulaci přenosu magnonového spinového proudu ve spinovém ventilu s ideální geometrií.
Holandští fyzici z univerzity v Groningenu zvolili sice jiný přístup, ale se stejným cílem. Tím byla změna magnonového proudu použitím elektrod pro změnu chemického potenciálu v prvku, který nazvali „magnonový tranzistor“. Tento prvek sestává z tenkého platinového obdélníku na povrchu většího čtverce z magnetického materiálu yttrium- železo-granát (YIG). Magnony jsou generovány na jednom konci magnetu a detekovány na druhém konci. Potom je buď více magnonů pumpováno dovnitř, nebo absorbováno ze čtverce YIG v závislosti na spinové polarizaci elektronů tekoucích do platinového pásku. Pokud jsou tyto „elektronové“ spiny vyrovnány s magnony YIG, magnonový proud roste, pokud je tomu opačně, proud klesá.
V porovnání s magnonovými ventily nabízí tranzistor dvě potenciální výhody. Pracuje rychleji a může mít širší použití při vytváření komplexních obvodů. Změny magnonového proudu jsou však daleko menší než v magnonovém ventilu, a tranzistor tak ztrácí možnost pracovat s menší spotřebou energie v porovnání s konvenční elektronikou.
Původní práce byly publikovány v Nature Communications a ve Physical Review Letters.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
