Onderzoekers gebruiken een synthetische antiferromagneet op nanoschaal om niet-lineaire spindynamica te schakelen

Onderzoekers van de University of California, Riverside, hebben een synthetische antiferromagneet op nanoschaal gebruikt om de interactie tussen magnonen te controleren – onderzoek dat zou kunnen leiden tot snellere en energiezuinigere computers.

In ferromagneten wijzen elektronenspins in dezelfde richting. Om toekomstige computertechnologieën sneller en energiezuiniger te maken, maakt spintronisch onderzoek gebruik van spindynamica – fluctuaties van de elektronenspins – om informatie te verwerken. Magnonen, de kwantummechanische eenheden van spinfluctuaties, werken met elkaar samen, wat leidt tot niet-lineaire kenmerken van de spindynamiek. Dergelijke niet-lineariteiten spelen een centrale rol in magnetisch geheugen, draaimomentoscillatoren en vele andere spintronische toepassingen.

In het opkomende veld van magnetische neuromorfe netwerken – een technologie die de hersenen nabootst – zijn niet-lineariteiten bijvoorbeeld essentieel voor het afstemmen van de respons van magnetische neuronen. Ook kan in een ander grensverleggend onderzoeksgebied de niet-lineaire spindynamica een rol gaan spelen.

“We verwachten dat de concepten van kwantuminformatie en spintronica worden geconsolideerd in hybride kwantumsystemen”, zegt Igor Barsukov, een assistent-professor bij de afdeling Fysica en Astronomie die de studie leidde die verschijnt in Toegepaste materialen en interfaces. “We zullen de niet-lineaire spindynamiek op kwantumniveau moeten beheersen om hun functionaliteit te bereiken.”

Barsukov legde uit dat in nanomagneten, die dienen als bouwstenen voor veel spintronische technologieën, magnonen gekwantiseerde energieniveaus vertonen. De interactie tussen de magnons volgt bepaalde symmetrieregels. Het onderzoeksteam leerde de magnon-interactie te engineeren en identificeerde twee benaderingen om niet-lineariteit te bereiken: het doorbreken van de symmetrie van de spinconfiguratie van de nanomagneet; en het wijzigen van de symmetrie van de magnons. Ze kozen voor de tweede benadering.

“Het aanpassen van de symmetrie van de magnon is de meer uitdagende maar ook meer toepassingsvriendelijke benadering”, zegt Arezoo Etesamirad, de eerste auteur van het onderzoekspaper en een afgestudeerde student in het laboratorium van Barsukov.

In hun aanpak onderwierpen de onderzoekers een nanomagneet aan een magnetisch veld dat ongelijkmatigheid vertoonde op karakteristieke nanometerlengteschalen. Dit niet-uniforme magnetische veld op nanoschaal zelf moest afkomstig zijn van een ander object op nanoschaal.

Voor een bron van zo’n magnetisch veld gebruikten de onderzoekers een synthetische antiferromagneet op nanoschaal, of SAF, bestaande uit twee ferromagnetische lagen met antiparallelle spinoriëntatie. In zijn normale toestand genereert SAF bijna geen strooiveld – het magnetische veld rondom de SAF, dat erg klein is. Zodra het de zogenaamde spin-flop-overgang ondergaat, worden de spins gekanteld en genereert de SAF een strooiveld met ongelijkmatigheid op nanoschaal, indien nodig. De onderzoekers schakelden de SAF op een gecontroleerde manier om tussen de normale toestand en de spin-flop-toestand om het symmetrie-brekende veld aan en uit te zetten.

“We waren in staat om de magnon-interactiecoëfficiënt met minstens één orde van grootte te manipuleren,” zei Etesamirad. “Dit is een veelbelovend resultaat, dat zou kunnen worden gebruikt om coherente magnon-koppeling in kwantuminformatiesystemen te construeren, verschillende dissipatieve toestanden in magnetische neuromorfe netwerken te creëren en grote excitatieregimes in spin-torque-apparaten te regelen.”