Fabry-Pérot Cavity formed by Magnonic waveguide using holes and notches

Stel je een wereld voor waarin informatie niet reist als elektriciteit door koperdraden, maar als magnetische rimpelingen die zich door vaste materialen bewegen. Deze rimpelingen, bekend als spingolven, zijn de dynamische excitaties van minuscule atomaire magneten binnen een substantie. In tegenstelling tot lichtgolven die worden gebruikt in glasvezelkabels, die golflengten hebben die in micrometers worden gemeten, zijn spingolven bij de frequenties die voor computerberekeningen worden gebruikt ongelooflijk klein en krimpen ze terug naar de nanoschaal. Deze minuscule omvang biedt een pad naar het bouwen van computercomponenten die veel kleiner en energiezuiniger zijn dan de huidige siliciumchips. Omdat deze golven gegevens met zeer weinig energieverlies kunnen dragen, verkennen wetenschappers ze als de basis voor een nieuwe generatie energiezuinige computing- en gegevensverwerkingssystemen. Om deze technologie te laten werken, moeten onderzoekers leren hoe ze deze magnetische rimpelingen met dezelfde precisie kunnen sturen, vangen en beheersen als optische technici licht beheersen.

In een recente studie hebben onderzoekers aan de Universiteit van IJsland een belangrijke stap gezet naar het beheersen van deze controle door een gespecialiseerde val voor spingolven te creëren, een zogenaamde Fabry-Pérot-caviteit. In de wereld van de optica wordt een dergelijke caviteit gevormd door twee parallelle spiegels die licht heen en weer laten weerkaatsen; wanneer de golven binnenin perfect op één lijn liggen, versterken ze elkaar en gaan ze erdoorheen, maar wanneer ze botsen, heffen ze elkaar op en worden ze geblokkeerd. Het team paste ditzelfde principe toe op spingolven, maar in plaats van glazen spiegels te gebruiken, sneden ze fysieke openingen in een magnetische strip. Ze bouwden twee versies van dit apparaat: één met twee cirkelvormige gaten die door het magnetische materiaal waren geboord, en een andere met twee halve cirkelvormige inkepingen die in de zijkanten waren uitgesneden. Deze lege ruimtes fungeren als de spiegels, die de spingolven heen en weer reflecteren om een resonantiekamer te creëren.

De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om te zien hoe deze golven zich binnen hun op maat gemaakte structuren gedroegen. Ze testten strips gemaakt van yttrium-ijkgarnet, een materiaal dat erom bekend staat dat het magnetische golven over lange afstanden kan laten reizen zonder te vervagen. Door de afstand tussen de twee gaten of inkepingen te veranderen, observeerden ze hoe de golven met elkaar interageerden. Wanneer de afstand precies goed was ingesteld, zouden de golven die vanaf de invoerzijde kwamen tussen de openingen heen en weer stuiteren, perfect op één lijn liggen en met bijna geen verlies door de uitvoer naar buiten komen. Bij andere afstanden zouden de golven met zichzelf interfereren en terugkaatsen, waardoor ze de andere kant niet konden bereiken. De studie onthulde dat deze eenvoudige geometrische kenmerken een zeer efficiënt filter konden creëren, waardoor specifieke frequenties van spingolven konden passeren terwijl andere werden geblokkeerd.

Een cruciaal deel van dit werk was het kijken naar wat er gebeurt wanneer de golven terugkaatsen, een fenomeen dat in eerdere studies vaak over het hoofd werd gezien. Het team kwam tot de conclusie dat het analyseren van deze reflectie essentieel is voor het begrijpen van de prestaties van het apparaat. Ze ontwikkelden een theoretisch model om deze gedragingen te voorspellen en bevestigden dit met hun simulaties. De resultaten toonden aan dat voor een specifieke scheiding van 500 nanometer tussen de openingen, het apparaat bijna alle energie kon doorgeven bij een frequentie van 2,686 gigahertz, terwijl er bijna niets werd gereflecteerd. Daarentegen, bij een iets andere frequentie, daalde de transmissie aanzienlijk en werden de golven teruggekaatst. Dit vermogen om te schakelen tussen het doorlaten van golven en het blokkeren ervan is het fundamentele mechanisme dat nodig is voor logische poorten in toekomstige computers.

Naast het bouwen van de structuur zelf, lieten de onderzoekers zien dat ze het apparaat konden afstemmen als een radio. Door een extern magnetisch veld toe te passen, konden ze de specifieke frequentie waarbij de golven doorlieten verschuiven. Het verhogen van het magnetische veld zorgde ervoor dat de resonantiepiek naar hogere frequenties bewoog, waardoor het apparaat dynamisch kon worden aangepast zonder de fysieke vorm te veranderen. Deze actieve controle is een essentiële vereiste voor praktische computerapplicaties, waarbij gegevensverwerking flexibel en responsief moet zijn. De studie suggereert dat deze eenvoudige, nanoschaalstructuren, die relatief gemakkelijk te fabriceren zijn en tolerant zijn voor kleine productiefouten, sleutelcomponenten kunnen worden in de magnonische geïntegreerde circuits van de toekomst, wat een nieuwe manier biedt om informatie te verwerken met minimaal energieverbruik.