To z kolei oznacza ogromną szansę dla rozwoju spintroniki – technologii, która w przyszłości mogłaby umożliwić przetwarzanie informacji przy znacznie mniejszym zużyciu energii niż w tradycyjnych układach elektronicznych. Szczegóły tej koncepcji ukazały się w Nature Communications. Zespół badawczy stojący za wspomnianą publikacją wykorzystał zaawansowane techniki rentgenowskie, aby prześledzić, jak energia przemieszcza się pomiędzy elektronami, wzbudzeniami magnetycznymi oraz atomami tworzącymi strukturę badanego materiału.
Czytaj też: Komputer kwantowy odtworzył zjawisko, które zmieniło sposób myślenia o polu magnetycznym
Współczesne procesory opierają swoje działanie na przemieszczaniu ładunków elektrycznych przez obwody. Rozwiązanie to pozwoliło zbudować niezwykle wydajne urządzenia, lecz ma też swoje ograniczenia. Przepływ prądu powoduje straty energii w postaci ciepła, a dalsze zmniejszanie rozmiarów tranzystorów staje się coraz trudniejsze. Jedną z alternatyw jest spintronika, a więc dziedzina elektroniki wykorzystująca nie tylko ładunek elektryczny elektronów, ale również ich spin – właściwość kwantową związaną z momentem magnetycznym.
Gdy spiny elektronów w materiale zaczynają poruszać się w sposób skoordynowany, powstają fale spinowe. Ich kwantowe wzbudzenia nazywamy magnonami. Mogą one przenosić energię i informację przez materiał bez konieczności przemieszczania elektronów na podobnej zasadzie jak w tradycyjnych układach elektronicznych. To właśnie ta właściwość sprawia, iż magnony są interesującym kandydatem do wykorzystania w przyszłych układach obliczeniowych.
Aby dokładniej zbadać zachowanie tych wzbudzeń, naukowcy wykorzystali tlenek miedzi, materiał magnetyczny, w którym występują silne oddziaływania pomiędzy magnetyzmem a drganiami atomów. Eksperyment rozpoczął się od skierowania na próbkę niezwykle krótkiego i intensywnego impulsu laserowego. Dostarczona energia wzbudziła elektrony, wywołując zmiany w ich spinach i prowadząc do powstania magnonów. Proces ten zachodził w skali femtosekund, czyli biliardowych części sekundy.
Następnie wzbudzenia magnetyczne oddziaływały ze sobą, tworząc bardziej nieuporządkowany układ fal. Dopiero później zaczynały przekazywać swoją energię drganiom atomów w strukturze krystalicznej, określanym jako fonony. Najważniejsza obserwacja dotyczyła właśnie tego ostatniego etapu. Przekazywanie energii z magnonów do fononów następowało dopiero w skali nanosekund. To znacznie dłużej, niż badacze spodziewali się po materiale, w którym oddziaływania magnetyczne i atomowe są tak silne.
Czytaj też: Nowa rzeczywistość w przetwarzaniu ropy naftowej. Naukowcy wywołali ogromny spadek zużycia energii
Uchwycenie całego procesu wymagało zastosowania kilku uzupełniających się metod badawczych. Eksperymenty wykorzystywały intensywne impulsy promieniowania rentgenowskiego generowane przez laser na swobodnych elektronach. Później do akcji wkroczyła technika pomiarowa typu pump-probe, która pozwala obserwować zmiany zachodzące w materiale po dostarczeniu impulsu laserowego. Badacze połączyli dwie znane metody rentgenowskie z nowym zastosowaniem techniki czasowo-rozdzielczego rezonansowego rozpraszania rozproszonego. Dzięki temu mogli prześledzić procesy zachodzące w bardzo różnych skalach czasowych i dokładniej określić, w jaki sposób poszczególne wzbudzenia wymieniają między sobą energię.
Ich zdaniem istotną rolę w długiej żywotności magnonów odgrywają różnice pomiędzy zależnościami energii i pędu magnonów oraz fononów. Ograniczają one efektywność przekazywania energii pomiędzy tymi dwoma rodzajami wzbudzeń. Lepsze zrozumienie tego mechanizmu może pomóc w projektowaniu materiałów, w których czas życia magnonów będzie można świadomie kontrolować. W przyszłości takie rozwiązania mogłyby sprawdzić się w energooszczędnych układach logicznych, urządzeniach spintronicznych i nowych architekturach obliczeniowych.
Źródło: Nature Communications
