فیزیکدانان نوع جدیدی از امواج اسپین را کشف می‌کنند

اعتبار: دامنه عمومی CC0
 
فن آوری های فعلی برای انتقال و پردازش اطلاعات با محدودیت های اساسی فیزیکی به چالش کشیده می شوند. هر چه آنها قوی تر شوند، انرژی بیشتری نیاز دارند و گرمای بیشتر به محیط زیست منتقل می کنند. همچنین محدودیت های فیزیکی در مورد کوچک بودن و کارایی دستگاه های ارتباطی وجود دارد. کشف اخیر توسط فیزیکدانان در دانشگاه مارتین لوتر هال ویتنبرگ (MLU) و دانشگاه لانژو در چین راه جدیدی برای پیشرفت در این زمینه ارائه می دهد. در آخرین نسخه مجله علمی Science Communications، آنها نوع جدیدی از موج اسپین را توصیف می کنند که می تواند برای انتقال و پردازش اطلاعات با کارایی قابل ملاحظه‌ی بیشتر و مصرف انرژی پایین تر مورد استفاده قرار گیرد.
 
برنامه های IT متعارف بر اساس جریان های بار الکتریکی است. پروفسور جمال بیرقدار، استاد فیزیک دانشگاه MLU می گوید: "این نتیجه ها ناگزیر منجر می شود به از دست دادن های انرژی که باعث گرم شدن محیط می شود." این محقق افزود که انرژی بیشتری نیاز است و همچنین پراکنده می شود تا دستگاه های قوی تر و جمع و جورتر را به کار اندازد. بنابراین، چالش برانگیز این است که گام پیشرفت را بر اساس تکنولوژی مبتنی بر شارژ - جریان نگه داریم. برای مطالعه خود، تیم های تحت رهبری پروفسور بیرقدار و پروفسور چِنگ لونگ جیا از دانشگاه لانژو مفاهیم جایگزین برای ارتباطات و پردازش داده ها را بررسی کردند.
 
کار آنها در اطراف مگنون ها چرخید. بیرقدار توضیح داد: "این ها امواجی هستند که در فرومغناطیس ها فقط توسط کسری از مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید جریان های بار مورد نیاز تحریک می شوند." "مگنون ها می توانند برای انتقال سیگنال ها و برای عملیات منطقی در اجزای مختلف در حالی که عملا تولید هیچ حرارتی نمی کنند مورد استفاده قرار گیرند."
 
در این مطالعه اخیر، تیم تحقیقاتی آلمانی-چینی نوعی مگنون پیچ خورده را توصیف می کند که برای آن پیچش یا تعداد پیچ خوردگی در برابر میرایی محافظت می شود. از لحاظ فنی، پیچش مربوط به اندازه حرکت زاویه ای مداری مگنون است و می تواند در بزرگی و جهت گیری با ولتاژ های الکتریکی کنترل شود. این امر کد گذاری سیگنالی چندگانه مبتنی بر پیچش را در عرض فواصل بزرگ ممکن می سازد. طبق گفته دانشمندان، نتایج گزارش شده راه انتقال اطلاعات با تراکم بالا از طریق مگنون را باز می کند. علاوه بر بهره وری انرژی، طول موجهای مگنون قابل کنترل و در مقایسه با امواج اپتیکی کوتاه است که این خود برای کوچک سازی مفید است. عناصر مگنونی همچنین می توانند در فن آوری های موجود ادغام شوند.
 

 

تراشه‌ای که یک جریان مگنونی یا موج اسپینی را بین آنتن های فرستنده و گیرنده تولید می کند. اعتبار: آزمایشگاه Balandin در UC Riverside
 
دستگاه های الکترونیکی مانند ترانزیستور ها دارند کوچکتر می شوند و به زودی به محدودیت های عملکرد متعارف بر اساس جریان های الکتریکی برخورد خواهند داد.
 
دستگاه هایی که بر مبنای جریانهای مغناطیسی-شبه ذره ای مرتبط با امواج مغناطیس شدگی یا امواج اسپین هستند در برخی مواد مغناطیسی صنعت را دگرگونه می کنند، اگرچه دانشمندان نیاز دارند بهتر بدانند که چگونه آنها را کنترل کنند.
 
مهندسان در دانشگاه کالیفرنیا ریورساید گام مهمی در جهت توسعه دستگاه های مغناطیسی عملی برداشته اند و برای اولین بار، سطح سر و صدایی مرتبط با انتشار جریان مگنون را بررسی کرده اند.
 
نویز و یا نوسان ها در سیلان یک جریان، یک استاندارد مهم است در سنجش این که آیا یک دستگاه الکترونیکی مناسب برای کاربردهای عملی است یا نه. از آن جایی که نویز با عملکرد دستگاه تداخل دارد، درک بهتر این که مگنون ها چقدر پر سر و صدا هستند به مهندسان کمک خواهد کرد دستگاه های بهتری را توسعه دهند.
 
تمام الکترونیک موجود بر اساس هادیهای الکتریسیته مانند فلزات و نیمه هادی ها است. همان طور که الکترونها از طریق این مواد حرکت می کنند، آنها پراکندگی را تجربه می کنند، که منجر به مقاومت الکتریکی، گرما و اتلاف انرژی می شود. هنگامی که جریان از طریق سیم یا نیمه هادی عبور می کند، گرمای ناگزیر باعث از دست رفتن انرژی می شود. دستگاه های الکترونیکی مانند ترانزیستور ها دارند کوچکتر می شوند و به زودی به محدودیت های عملکرد متعارف بر اساس جریان های الکتریکی برخورد خواهند داد. دستگاه های کوچکتر و تراشه هایی با تراکمی بالاتر از ترانزیستور، از دست رفتن انرژی بر اثر گرما را تسریع می کنند. دستگاه هایی که از جریان های معمولی الکترونیکی استفاده می کنند تقریبا در نقطه ای هستند که دیگر نمی توان آنها را کوچکتر ساخت.
 
یک دسته جدید از مواد دارای خواصی مغناطیسی هستند که از اسپین، یک نوع اندازه حرکت ذاتی، منشأ می گیرد. کُنده های منفرد، یا واحدهای امواج اسپین، مگنون نامیده می شود. مگنون ها ذرات واقعی مانند الکترون نیستند، اما آنها مانند ذرات رفتار می کنند و می توان به صورت یکسان با آنها رفتار کرد.
 
یک تموج انرژی به نام موج اسپین می تواند از میان یک ماده‌ی از لحاظ الکتریکی عایق برای انتقال انرژی بدون حرکت دادن هیچ الکترونی، مانند افرادی که موج در ورزشگاه ایجاد می کنند، حرکت کند. این بدان معناست که مگنون ها می توانند بدون ایجاد گرمای زیاد و از دست دادن انرژی زیاد انتشار یابند.
 
یک رشته جدید از الکترونیک به نام مگنونیکس تلاش دارد با استفاده از جریان های مگنون ها به جای الکترون ها، دستگاه هایی برای پردازش اطلاعات و ذخیره سازی، و همچنین برنامه های کاربردی حسی، بسازد. در حالی که نویز الکترون مدتی طولانی است شناخته شده است، هیچ کس تا به حال نویز مگنون را بررسی نکرده است.
 
یک تیم تحت رهبری الکساندر بالاندین، استاد برجسته مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی UC Riverside's Marlan، تراشه ای ایجاد کرد که جریان مگنونی یا موج اسپینی را بین آنتن های فرستنده و گیرنده آنتن ایجاد می کرد.
 
آزمایشات آشکار کرد که مگنون ها در سطوح توان پایین به آن پرسروصدایی نیستند. اما در سطوح توان بالا، نویز غیرمعمول می شود، و تحت غلبه نوسان های وسیع قرار می گیرد که محققان آن را نویز سیگنال تلگرافی رندوم می نامند که با یک عملکرد دستگاه تداخل می کند. سر و صدا به طور قابل ملاحظه ای از آنچه توسط الکترون ها ساخته می شود متفاوت بود و محدودیتهایی را در نحوه ساختن دستگاههای مگنونی مشخص می کند.
 

منبع: دانشگاه مارتین لوتر هال ویتنبرگ