Raze X dezvăluie unde de spin cu durată de viață surprinzător de lungă în oxidul de cupru
Tehnologia computerelor bazată pe siliciu se apropie de limitele sale fizice, iar centrele de date pentru inteligență artificială consumă cantități imense de energie electrică. De aceea, cercetătorii caută materiale care să înlocuiască sau să completeze siliciul și să consume semnificativ mai puțin. O echipă de la Institutul Paul Scherrer a analizat, cu ajutorul unor tehnici combinate de raze X, interacțiunea rapidă dintre excitațiile electronice, magnetice și de rețea cristalină dintr-un astfel de material. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications.
De la electroni la undele de spin
Viitoarele componente ar putea deveni mai eficiente dacă s-ar controla mișcările rapide de inversare ale spinilor electronilor în solide. În cipurile actuale, electronii circulă prin material, ceea ce produce pierderi de energie și căldură reziduală. Dacă electronii ar rămâne pe loc și ar fi manipulați doar spinii lor, informația ar putea fi transportată prin unde de spin, asemenea unui val în tribunele unui stadion, unde nu se deplasează oamenii, ci fiecare își ridică rând pe rând brațele. Acest domeniu se numește spintronică și folosește excitații colective minuscule cunoscute drept magnoni.
Oxidul de cupru, ales pentru cuplajul puternic
Pentru a face vizibile aceste fenomene, cercetătorii au generat mai întâi magnoni, trimițând un impuls laser optic intens și scurt asupra probei. „Am ales oxidul de cupru pentru că este un material magnetic bine cunoscut, cu interacțiuni puternice între magnetism și rețeaua cristalină”, a declarat Arnau Romaguera, primul autor al studiului. Impulsul laser a excitat mai întâi electronii, care au determinat apoi spinii inițial dezordonați să se inverseze în șiruri, generând magnoni într-un interval de femtosecunde.
O viață lungă pentru magnoni
După formare, magnonii excitați optic s-au împrăștiat unii pe alții și au format un stat cu unde incoerente, asemenea unei mări agitate, pe parcursul a picosecunde. La trei ordine de mărime mai târziu, în intervalul nanosecundelor, magnonii au interacționat cu atomii din rețeaua cristalină și și-au convertit energia în fononi. Rezultatul surprinzător este durata de viață foarte lungă a magnonilor înainte de această conversie. „Având în vedere cuplajul puternic dintre magnetism și rețeaua oxidului de cupru, am fost surprinși de cât de mult durează transferul energiei către rețea”, a spus Romaguera.
De ce magnonii rezistă atât de mult
Hiroki Ueda, coordonatorul proiectului, explică mecanismul: „Magnonii și fononii au relații foarte diferite între impuls și energie. Acest lucru modulează eficiența cu care magnonii își pot transfera energia către rețea, ceea ce duce la durata lor lungă de viață și ne oferă indicii importante despre cum să ajustăm durata de viață a magnonilor prin materiale proiectate special.” Această durată comparativ lungă ar putea oferi suficient timp pentru efectuarea și controlul operațiilor logice.
Instantaneu după instantaneu, de la femtosecunde la nanosecunde
Provocarea a fost de a face vizibile toate aceste fenomene pe scări de timp atât de diferite. „Am folosit mai multe tehnici cu raze X”, a spus Romaguera. „Ce au în comun este că un puls de raze X foarte strălucitor, produs de un laser cu electroni liberi, este îndreptat asupra probei la scurt timp după impulsul laser optic care generează magnonii.” Variind treptat intervalul dintre cele două impulsuri, cercetătorii pot investiga materialul în diferite momente după excitație și pot reconstrui o succesiune de instantanee ale evenimentelor microscopice. Pe lângă două tehnici consacrate, echipa a folosit pentru prima dată o tehnică nouă, numită împrăștiere difuză rezonantă rezolvată în timp. Măsurătorile au fost realizate la stația experimentală Furka a laserului SwissFEL și la sincrotronul ESRF din Grenoble, iar rezultatele au fost completate de simulări cinetice cuantice.
Un pas spre electronica viitorului
„Măsurătorile noastre sunt în mare parte în concordanță cu calculele teoretice”, a explicat Ueda, ceea ce arată că teoriile de bază sunt bine înțelese, chiar dacă trebuie adaptate structurilor fiecărui material. Deși rămâne cercetare fundamentală, studiul aduce electronica viitorului — spintronica — cu un pas important mai aproape de aplicațiile practice.
