Onderzoekers ontwikkelen handleiding voor technische spindynamiek in nanomagneten

Een internationaal team van onderzoekers aan de University of California, Riverside, en het Institute of Magnetism in Kiev, Oekraïne, heeft een uitgebreide handleiding ontwikkeld voor het ontwerpen van spindynamiek in nanomagneten – een belangrijke stap in de richting van het bevorderen van spintronische en kwantuminformatietechnologieën.

Ondanks hun kleine formaat onthullen nanomagneten – die in de meeste spintronische toepassingen worden aangetroffen – een rijke dynamiek van spin-excitaties, of ‘magnons’, de kwantummechanische eenheden van spinfluctuaties. Vanwege zijn opsluiting op nanoschaal kan een nanomagneet worden beschouwd als een nuldimensionaal systeem met een discreet magnonspectrum, vergelijkbaar met het spectrum van een atoom.

“De magnonen interageren met elkaar en vormen zo een niet-lineaire spindynamiek”, zegt Igor Barsukov, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan UC Riverside en een corresponderende auteur van de studie die in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordeling toegepast. “Niet-lineaire spindynamiek is een grote uitdaging en een grote kans om de prestaties van spintronische technologieën zoals spin-torque-geheugen, oscillatoren en neuromorfe computers te verbeteren.”

Barsukov legde uit dat de interactie van magnonen een reeks regels volgt: de selectieregels. De onderzoekers hebben deze regels nu gepostuleerd in termen van symmetrieën van magnetisatieconfiguraties en magnonprofielen.

Het nieuwe werk zet de inspanningen voort om nanomagneten te temmen voor de volgende generatie computertechnologieën. In een eerdere publicatie toonde het team experimenteel aan dat symmetrieën kunnen worden gebruikt voor technische magnon-interacties.

“We zagen de kans, maar merkten ook dat er veel werk verzet moest worden om de selectieregels te begrijpen en te formuleren”, zei Barsukov.

Volgens de onderzoekers onthult een uitgebreide set regels de mechanismen achter de magnon-interactie.

“Het kan worden gezien als een gids voor spintronica-laboratoria voor het debuggen en ontwerpen van nanomagneetapparaten”, zegt Arezoo Etesamirad, de eerste auteur van het artikel die in het Barsukov-lab werkte en onlangs is afgestudeerd met een doctoraat in de natuurkunde. “Het legt de basis voor het ontwikkelen van een experimentele toolset voor afstembare magnetische neuronen, schakelbare oscillatoren, energiezuinig geheugen en kwantummagnonische en andere nanomagnetische toepassingen van de volgende generatie.”

Barsukov en Etesamirad werden bij het onderzoek vergezeld door Rodolfo Rodriguez van UCR; en Julia Kharlan en Roman Verba van het Instituut voor Magnetisme in Kiev, Oekraïne.