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磁振子納米纖維研究:為新興技術(shù)及的構(gòu)造開(kāi)辟了道路

如意 ? 來(lái)源:百家號(hào) ? 作者:量子認(rèn)知 ? 2020-07-03 14:48 ? 次閱讀
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磁體的磁性順序中的局部擾動(dòng)會(huì)以波的形式在整個(gè)材料上傳播,這些波稱(chēng)為自旋波,其相關(guān)的晶格中電子自旋結(jié)構(gòu)集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子稱(chēng)為磁振子(英語(yǔ):Magnon)。

關(guān)于磁振子的研究,發(fā)展成為了納米科學(xué)中的一個(gè)新型的科學(xué)領(lǐng)域,稱(chēng)為磁振子學(xué)(英語(yǔ):Magnonics)。

磁性提供了創(chuàng)建我們現(xiàn)在所使用的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的途徑方法,但是在納米級(jí)實(shí)現(xiàn)磁性計(jì)算以提供功能更強(qiáng)大、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)一直是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在,由德國(guó)凱撒斯勞滕工業(yè)大學(xué),德國(guó)耶拿信達(dá)電子和維也納大學(xué)組成的一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》上報(bào)道了他們使用利用磁振子來(lái)開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)重大進(jìn)展,從而可能為新型計(jì)算機(jī)開(kāi)辟道路。

這種使用磁振子的新一代計(jì)算機(jī)可能會(huì)更強(qiáng)大,并且消耗更少的能量。為此,一個(gè)主要的先決條件是能夠制造出所稱(chēng)的單模波導(dǎo)(single-mode waveguides),使科學(xué)家能夠使用基于波的先進(jìn)信號(hào)處理方案。這需要將結(jié)構(gòu)的尺寸縮小到納米尺度。這樣的開(kāi)發(fā)將相當(dāng)于打開(kāi)進(jìn)入人腦功能的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)之門(mén)。

然而,將磁振子技術(shù)的規(guī)??s小到納米規(guī)模具有挑戰(zhàn)性。用于磁振子應(yīng)用的非常具有前景的材料是釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet,簡(jiǎn)稱(chēng):YIG)。釔鐵石榴石歷來(lái)是稱(chēng)為是一種高貴的磁性材料。磁振子在這種材料內(nèi)的壽命是其它材料內(nèi)的一百倍。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、維也納大學(xué)的Andrii Chumak教授說(shuō)。 “如果您嘗試用它制造出微小的結(jié)構(gòu),那么對(duì)于釔鐵石榴石是非常復(fù)雜且難以操作。所以釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)幾十年來(lái)最小都具有毫米大小?,F(xiàn)在,研究團(tuán)隊(duì)終于設(shè)法將尺寸降低到了50納米,比過(guò)去要小大約10萬(wàn)倍。

德國(guó)凱撒斯勞滕工業(yè)大學(xué)的納米結(jié)構(gòu)中心開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)特殊的生產(chǎn)的釔鐵石榴石膠片的新技術(shù)。在釔鐵石榴石的頂部制作了一層稱(chēng)為掩模的薄金屬層,使大部分薄膜暴露在外。然后,試樣被強(qiáng)力的氬離子流轟擊,從而去除了釔鐵石榴石未被保護(hù)的部分,而掩模下面的材料則保持不變。然后,去除金屬掩膜,露出成品釔鐵石榴石的50納米的細(xì)條。

如圖所示,左面板顯示了50納米的釔鐵石榴石波導(dǎo)的顯微照片。激發(fā)的自旋波沿條帶傳播。右側(cè)面板顯示磁振納米纖維波導(dǎo)的放大部分,并將其大小與目前流行的新冠病毒進(jìn)行了比較。

對(duì)于整個(gè)這樣的技術(shù)過(guò)程的成功,至關(guān)重要的是,要找到適合掩模罩的材料,找出其厚度,并調(diào)整數(shù)十種不同的參數(shù),以保存釔鐵石榴石的特性。 “經(jīng)過(guò)幾年的研究,研究團(tuán)隊(duì)終于找到了所要尋找的鉻和鈦層組合的掩模層。

該釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)的尺度大約比人的頭發(fā)的厚度小一千倍。成功構(gòu)造之后,科學(xué)家們繼續(xù)研究磁振子的傳播,以評(píng)估納米級(jí)釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)是否保持了釔鐵石榴石膜的優(yōu)異材料性能。

研究團(tuán)隊(duì)表示:我們能夠證明該結(jié)構(gòu)化過(guò)程對(duì)這種材料的出色性能產(chǎn)生很小的影響?!?“此外,我們能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,磁振子能夠像以前理論上所預(yù)測(cè)的那樣,有效地在磁振通道中長(zhǎng)距離有效地承載信息。這些結(jié)果是磁導(dǎo)電路發(fā)展的重要里程碑,證明了基于磁振子納米纖維的數(shù)據(jù)處理的一般可行性,為新型計(jì)算機(jī)的構(gòu)造開(kāi)辟了道路。

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