11.12.2019
PL EN
22.11.2019 aktualizacja 22.11.2019

Przepływy fal magnetycznych pod lepszą kontrolą

Bąble magnetyczne, czyli miejsca o takim samym namagnesowaniu, tworzą  się na „trójkątnych” wyspach między dziurami kryształu magnonicznego  (strzałki w kolorze zielonym). Badacze z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w  Krakowie zbudowali model, który po raz pierwszy pozwala dokładnie  przewidywać zmiany namagnesowania takich bąbli. Źródło: IFJ PAN Bąble magnetyczne, czyli miejsca o takim samym namagnesowaniu, tworzą się na „trójkątnych” wyspach między dziurami kryształu magnonicznego (strzałki w kolorze zielonym). Badacze z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zbudowali model, który po raz pierwszy pozwala dokładnie przewidywać zmiany namagnesowania takich bąbli. Źródło: IFJ PAN

Jeszcze szybsze i mniejsze procesory? Tam, gdzie nie wystarczy elektronika, ani spintronika, na ratunek przyjdzie... magnonika. Wcześniej jednak naukowcy muszą się nauczyć, jak symulować przepływy fal magnetycznych przez kryształy magnoniczne. W Krakowie właśnie wykonano ważny krok w tym kierunku.

Można się kłócić, czy liczba dziur w serze ma związek z jego jakością czy nie. Fizycy zajmujący się materiałami magnonicznymi nie mają takich dylematów: im więcej dziur w materiale, tym jego właściwości magnetyczne stają się ciekawsze, ale i radykalnie trudniejsze do opisania i modelowania.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Scientific Reports” grupa fizyków doświadczalnych i teoretycznych z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie zaprezentowała nowy, doświadczalnie zweryfikowany model, który po raz pierwszy pozwala z dużą dokładnością symulować lokalne zmiany właściwości magnetycznych kryształów magnonicznych. O badaniach poinformowali przedstawiciele IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Kryształy magnoniczne to cienkie, wielowarstwowe struktury metaliczne zawierające regularną siatkę mniejszych lub większych, mniej lub bardziej stykających się ze sobą okrągłych dziur. Krakowskie analizy sugerują, że zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach magnonicznych są bardziej złożone niż dotychczas przewidywano.

„Wielowarstowe struktury metaliczne o regularnej siatce okrągłych dziur są badane od niedawna – i nie bez problemów. Rzecz w tym, że owa sieć dziur w dramatyczny sposób zmienia właściwości magnetyczne układu, zwłaszcza sposób, w jaki propagują się w nim fale magnetyczne. Zjawiska stają się tak skomplikowane, że dotychczas nikt nie potrafił ich dobrze opisać i symulować” - mówi dr inż. Michał Krupiński (IFJ PAN).

Elektronika to przetwarzanie informacji za pomocą ładunków elektrycznych elektronów przepływających przez układ. Spintronika, typowana na następczynię elektroniki, również korzysta ze strumieni elektronów, zwraca jednak uwagę nie na ich ładunek elektryczny, lecz na spin (innymi słowy: na właściwości magnetyczne). Na tle obu tych dziedzin magnonika wyróżnia się w sposób zasadniczy. W urządzeniach magnonicznych nie ma żadnych zorganizowanych przepływów nośników. Tym, co przepływa przez układ, są bowiem fale magnetyczne.

Różnice między wspomnianymi dziedzinami łatwiej zrozumieć dzięki analogii ze światem sportu. Gdy stadion zapełnia się lub opróżnia, w jego obrębie płyną strumienie ludzi. Gdyby działała tu elektronika, zwracałaby uwagę na liczbę ludzi wchodzących lub wychodzących ze stadionu. Spintronika także przyglądałaby się przepływom ludzi, ale interesowałyby ją ruchy osób o włosach ciemnych bądź jasnych. W tej analogii magnonika zajmowałaby się przepływem... meksykańskich fal. Takie fale potrafią okrążyć cały stadion mimo faktu, że żaden kibic nie oddala się od swojego fotela - porównują przedstawiciele IFJ PAN.

Swoje kryształy magnoniczne fizycy z Krakowa wytwarzali z użyciem metody wynalezionej przez prof. Michaela Giersiga z Freie Universität Berlin, a rozwiniętej w IFJ PAN przez dr. Krupińskiego. „Badane przez nas układy składały się z 20 naprzemiennie ułożonych warstw kobaltu i palladu. Są to struktury bardzo cienkie. Ich grubość wynosi zaledwie 12 nanometrów, co odpowiada mniej więcej 120 atomom” - informuje dr Krupiński.

W zależności od rozmiarów dziur, między miejscami ich styku tworzą się większe lub mniejsze obszary o kształtach zbliżonych do trójkąta. Atomy w obrębie tych obszarów można magnesować w ten sam sposób, tworząc tzw. bąble magnetyczne. Bąble mogą służyć do przechowywania informacji, a zmiany ich namagnesowania pozwalają na propagowanie się fal magnetycznych w układzie.

Model teoretyczny, zbudowany w IFJ PAN pod kierunkiem dr. inż. Pawła Sobieszczyka, opisuje zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach o wielkości dwa na dwa mikrometry. W skali mikroświata rozmiary te są ogromne: liczba atomów jest tak duża, że symulowanie zachowań pojedynczych atomów przestaje być możliwe. Jednak z uwagi na wzajemne oddziaływanie magnetyczne, momenty magnetyczne sąsiednich atomów zwykle są zorientowane w prawie tym samym kierunku. Spostrzeżenie to pozwoliło pogrupować atomy w małe objętości (woksele), które można było traktować jak pojedyncze obiekty. Zabieg ten radykalnie obniżył złożoność obliczeniową modelu i umożliwił przeprowadzenie symulacji numerycznych, które zrealizowano w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet AGH w Krakowie.

"Magnonika dopiero raczkuje. Droga do złożonych procesorów – mniejszych, szybszych, na dodatek o strukturze logicznej, którą można byłoby przeprogramowywać zależnie od potrzeb – jest jeszcze daleka. Pamięci magnoniczne i nowatorskie czujniki, zdolne wykrywać niewielkie ilości substancji, wydają się bardziej realne. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za własności magnetyczne kryształów magnonicznych i sposoby przepływu fal magnetycznych przybliża nas ku tego typu urządzeniom. To ważny krok, po którym z pewnością przyjdą następne" - podsumowują badacze z IFJ PAN w komunikacie.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2019