Magnonen, verkregen door dunne antiferromagnetische lagen ten opzichte van elkaar te draaien, zouden elektronica aanzienlijk energiezuiniger maken (afb: Anna Delin et al./Nano Letters)

Een recente studie toont een nieuwe en potentieel energiezuinigere manier om informatie te verzenden binnen elektronische systemen zoals in computers en telefoons. Daarbij wordt geen gebruik gemaakt van elektrische stromen of externe magnetische velden. Centraal in deze belofte zijn magnetische signalen (oftewel magnonen).
In de huidige elektronica wordt informatie verzonden door elektronen door circuits te bewegen, waarbij enen en nullen worden weergegeven door hoge of lage elektrische signalen. Hoewel deze aanpak de moderne computertechnologie mogelijk heeft gemaakt, genereert de beweging van elektrische lading onvermijdelijk warmte, wat leidt tot energieverlies en de mogelijkheden beperkt om apparaten verder te verkleinen en te verbeteren.
In de nieuwe studie tonen onderzoekers van de Koninklijke Technische Hogeschool in Stockholm en internationale samenwerkingspartners aan dat door simpelweg twee lagen van bepaalde flinterdunne magnetische materialen te verdraaien, magnetische signalen informatie kunnen overbrengen in plaats van dat elektrische stromen dit moeten doen.
Deze magnetische signalen, ofwel altermagnetische magnonen, zouden nuttig kunnen zijn voor toekomstige informatietechnologieën die informatie verplaatsen zonder afhankelijk te zijn van elektrische lading, aldus Anna Delin, hoogleraar aan het KTH. Volgens de Engelse Wikipedia is een magnon een quasi-deeltje, of preciezer (en onbegrijpelijker) een collectieve excitatie van de spinstructuur van een elektron in een kristalrooster. Het nepdeeltje zou al in 1930 geïntroduceerd zijn door de Zwitserse natuurkundige Felix Bloch.

Het onderzoek bouwt voort op het vakgebied van de spintronica, dat zich richt op het gebruik van magnetisme in plaats van elektrische lading voor het verzenden en verwerken van informatie. Spintronica maakt gebruik van een intrinsieke eigenschap van elektronen, spin genaamd – een kleine magnetische oriëntatie die in verschillende richtingen kan wijzen. In plaats van elektronen door een apparaat te duwen, kunnen spintronische systemen magnonen gebruiken, golven die zich voortplanten door de magnetische ordening van een materiaal.

Zuiniger

Omdat magnonen informatie verzenden zonder elektrische lading te transporteren, kunnen ze dit doen met veel minder energieverlies. Om magnonen echter bruikbaar te maken in echte technologieën, moeten verschillende magnetische signalen zich anders gedragen, zodat informatie kan worden gestuurd en gericht. Het bereiken van deze scheiding vereiste doorgaans sterke magnetische velden of complexe materiaalstructuren, wat extra kosten, energieverbruik en ontwerpbeperkingen met zich mee brengt.
De onderzoeksters richtten zich op het bereiken van wat bekend staat als altermagnetisch gedrag, een situatie waarin een materiaal geen algemeen magnetisme heeft, maar intern magnetische signalen scheidt zodat hun paden kunnen worden geleid. In de praktijk betekent dit dat het materiaal zelf bepaalt hoe magnetische informatie stroomt.

Met behulp van geavanceerde computersimulaties bestudeerden de onderzoeksters Van der Waals-antiferromagneten, een familie van atoomdunne magnetische materialen waarvan de lagen met grote precisie kunnen worden gestapeld en gedraaid. Ze ontdekten dat door één laag ten opzichte van de andere te draaien de symmetrie binnen het materiaal precies op de juiste manier verandert om sterk en stuurbaar altermagnetisch gedrag te produceren.

Delin: “We laten zien dat dit gedrag ongewoon sterk kan zijn en niet afhankelijk is van externe magnetische velden of van giftige, kritische of zeldzame elementen. Dat maakt het een aantrekkelijk platform voor het verkennen van nieuwe manieren om informatie efficiënter te verzenden.”
De hoofdauteur Qirui Cui, zegt dat de studie weliswaar geen afgewerkt elektronisch apparaat beschrijft, maar wel een duidelijke fysieke demonstratie geeft van hoe informatie via magnetische signalen kan worden gegenereerd en gestuurd door middel van het materiaalontwerp alleen. “De bevindingen bieden een nieuwe basis voor toekomstig onderzoek naar energiezuinige informatietechnologieën die een aanvulling kunnen vormen op conventionele elektronica,” zegt hij.

Bron: Alpha Galileo