Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Do tiềm năng của nó để làm cho máy tính nhanh hơn và điện thoại thông minh hiệu quả hơn, điện tử học được coi là một khái niệm đầy hứa hẹn cho tương lai của điện tử. Một nhóm các nhà nghiên cứu hiện đã tạo thành công cái gọi là sóng spin dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều so với trước đây.
Các chip máy tính hiện đại dựa trên việc vận chuyển các điện tích: Mỗi sự kiện xử lý làm cho một dòng điện tử chảy trong một thành phần điện tử. Những điện tử này gặp phải điện trở, tạo ra nhiệt không mong muốn. Các cấu trúc trên chip càng nhỏ thì càng khó tản nhiệt. Kiến trúc dựa trên tính phí này cũng là một phần lý do tại sao tốc độ xung nhịp của bộ xử lý không thấy sự gia tăng đáng kể nào trong nhiều năm. Đường cong phát triển tốt, ổn định của hiệu suất và tốc độ chip hiện đang bị san phẳng. “Các khái niệm hiện tại đang đạt đến giới hạn của chúng”, Tiến sĩ Sebastian Wintz từ Viện nghiên cứu Vật lý và Vật liệu Tia ion tại HZDR giải thích. “Đây là lý do tại sao chúng tôi đang làm việc trên một chiến lược mới, sóng spin.”
Cách tiếp cận này không còn liên quan đến vận chuyển điện tích, mà chỉ chuyển động lượng góc bên trong của electron (, spin ‘) trong một vật liệu từ tính. Bản thân các electron vẫn đứng yên, trong khi chỉ có các spin của chúng thay đổi. Vì các spin của các electron lân cận cảm nhận lẫn nhau, một sự thay đổi trong một spin có thể truyền tới các lân cận của nó. Kết quả là một tín hiệu từ tính chạy qua vật liệu giống như sóng – sóng quay. Ưu điểm của các bộ phận chạy bằng spin là chúng sẽ tạo ra rất ít nhiệt, điều đó có nghĩa là chúng có thể sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể – và điều này rất đáng quan tâm đối với các thiết bị di động như điện thoại thông minh. Cũng có thể thu nhỏ hơn nữa các thành phần cho một số ứng dụng nhất định vì sóng spin có bước sóng ngắn hơn nhiều so với tín hiệu điện từ tương đương, ví dụ như trong giao tiếp di động.
Trước khi chúng ta có thể làm tất cả điều này, trước tiên chúng ta cần nghiên cứu cơ bản hơn rất nhiều. Chẳng hạn, chúng ta cần biết cách tạo ra sóng spin một cách hiệu quả. Các chuyên gia đã cố gắng thực hiện điều này trong một thời gian, gắn các dải kim loại có kích thước micromet lên các lớp từ tính mỏng. Một dòng điện xoay chiều chạy qua dải này tạo ra một từ trường giới hạn trong một không gian rất nhỏ. Trường này sau đó sẽ kích thích một sóng spin trong lớp từ tính. Nhưng phương pháp này có một nhược điểm: Khó có thể làm cho bước sóng của sóng spin được tạo ra nhỏ hơn chiều rộng của dải kim loại – không thuận lợi cho việc phát triển các thành phần tích hợp cao với cấu trúc có kích thước nanomet.
Tuy nhiên, có một cách khác: Một vật liệu từ tính được định hình thành các đĩa tròn gợi lên sự hình thành của các xoáy từ có lõi đo không quá mười nanomet. Sau đó, một từ trường có thể làm cho lõi xoáy này dao động, tạo ra một sóng spin trong lớp. “Cách đây một thời gian, chúng tôi cần các vật liệu đa lớp tương đối phức tạp để thực hiện điều này”, báo cáo của Wintz. “Bây giờ chúng tôi đã quản lý để gửi sóng spin từ lõi xoáy trong một vật liệu rất đơn giản.” Họ sử dụng một lớp hợp kim sắt niken dễ chế tạo có độ dày khoảng 100 nanomet.
Điều đáng chú ý là bước sóng của sóng spin được tạo ra – chỉ 80 nanomet. “Cộng đồng chuyên gia đã rất ngạc nhiên khi chúng tôi làm điều này trong một vật liệu đơn giản như vậy”, Tiến sĩ Georg Dieterle, người đã khám phá hiện tượng này trong luận án tiến sĩ tại MPI-IS. “Chúng tôi cũng không mong đợi có thể tạo ra các sóng ngắn như vậy ở tần số trong phạm vi gigahertz thấp hơn.” Các chuyên gia nghĩ rằng lý do cho các bước sóng ngắn nằm trong cách họ đi du lịch. Gần trung tâm mặt cắt ngang của lớp sắt niken, sóng spin tạo thành một loại “nút thắt”, bên trong đó hướng từ chỉ dao động lên xuống thay vì dọc theo quỹ đạo tròn của nó.
Để làm cho những hiện tượng này có thể nhìn thấy được, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi tia X đặc biệt tại vòng lưu trữ điện tử BESSY II tại Helmholtz Zentrum Berlin. “Đây là nơi duy nhất trên trái đất cung cấp các độ phân giải không gian và thời gian cần thiết trong sự kết hợp này”, giáo sư Gisela Schütz, giám đốc của MPI-IS nhấn mạnh. “Nếu không có kính hiển vi này, chúng tôi sẽ không thể quan sát những hiệu ứng này.” Bây giờ các chuyên gia đang hy vọng rằng kết quả của họ sẽ giúp phát triển hơn nữa của điện tử học. “Các lõi xoáy của chúng tôi có thể, ví dụ, đóng vai trò là nguồn cục bộ, có thể kiểm soát tốt để khám phá các hiện tượng cơ bản và phát triển các khái niệm mới với các thành phần dựa trên sóng spin,” các dự án của Dieterle. “Các sóng spin mà chúng tôi quan sát có thể có liên quan trong tương lai với các mạch tích hợp cao.”
Để giúp trả lời những câu hỏi nghiên cứu này, HZDR vận hành các cơ sở quy mô lớn, cũng được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu: Trung tâm Tia ion, Phòng thí nghiệm Từ trường Cao cấp Dresden và Trung tâm Nguồn bức xạ công suất cao ELBE. HZDR là thành viên của Hiệp hội Helmholtz và có năm địa điểm (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld gần Hamburg) với gần 1.200 thành viên, trong đó khoảng 500 là các nhà khoa học, trong đó có 150 tiến sĩ. thí sinh.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :