Magnetiska vågor kan sänka energikostnaden för databehandling

I dagens elektronik överförs information genom att elektroner rör sig genom kretsar, där ettor och nollor representeras av höga eller låga elektriska signaler. Även om denna metod har möjliggjort modern databehandling, genererar rörelsen av elektrisk laddning oundvikligen värme, vilket leder till energiförluster och begränsar hur mycket enheterna kan miniatyriseras och förbättras.

I den nya studien, publicerad i Nano Letters, visar forskare vid KTH och internationella samarbetspartners att man genom att helt enkelt vrida två lager av vissa atomtunna magnetiska material kan låta magnetiska signaler bära information istället för att förlita sig på elektriska strömmar.

– Dessa magnetiska signaler, eller altermagnetiska magnoner, kan vara användbara för framtida informationstekniker som överför information utan att förlita sig på elektrisk laddning, säger Anna Delin, professor vid KTH.

Forskningen bygger på området spintronik, som syftar till att använda magnetism istället för elektrisk laddning för att överföra och bearbeta information. Spintronik utnyttjar en inneboende egenskap hos elektroner som kallas spinn – en liten magnetisk orientering som kan peka i olika riktningar. Istället för att driva elektroner genom en anordning kan spintroniska system använda magnoner, vågliknande magnetiska svängningar som rör sig genom ett ordnat material.

Eftersom magnoner överför information utan att transportera elektrisk laddning kan de göra det med betydligt mindre energiförlust. För att magnoner ska vara användbara i verklig teknik måste dock olika magnetiska signaler bete sig olika så att informationen kan kontrolleras och styras. Att uppnå denna separation har vanligtvis krävt starka magnetfält eller komplexa materialstrukturer, vilket medför ökade kostnader, högre energiförbrukning och begränsningar i utformningen.

Den nya forskningen visar en mycket enklare väg.

Forskarna fokuserade på att uppnå det som kallas altermagnetiskt beteende – en situation där ett material inte har någon övergripande magnetism, men ändå internt[A1] separerar magnetiska signaler så att deras vägar kan styras. I praktiken innebär detta att materialet självt definierar hur magnetisk information flödar.

Med hjälp av avancerade datorsimuleringar studerade forskarteamet van der Waals-antiferromagneter, en grupp av atomtunna magnetiska material vars skikt kan staplas och vridas med stor precision. De upptäckte att genom att vrida ett skikt i förhållande till ett annat – en metod som kallas ”twist engineering” – förändras symmetrin inuti materialet på precis rätt sätt för att skapa ett starkt och kontrollerbart antiferromagnetiskt beteende.

– Vi visar att detta beteende kan vara ovanligt starkt och inte är beroende av externa magnetfält eller giftiga, sällsynta, eller strategiskt viktiga grundämnen. Det gör det till en attraktiv plattform för att utforska nya sätt att överföra information mer effektivt, säger Delin.

Studiens huvudförfattare, Qirui Cui, postdoktor vid KTH, säger att även om studien inte beskriver en färdig elektronisk enhet, ger den en tydlig fysisk demonstration av hur informationsbärande magnetiska signaler kan genereras och kontrolleras enbart genom materialdesign.

– Resultaten erbjuder en ny grund för framtida forskning om informationsteknik med låg energiförbrukning som skulle kunna komplettera konventionell elektronik, säger han.

David Callahan

Publication

Altermagnetic Magnons in Twisted van der Waals Antiferromagnets, Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c00198