För första gången kontrolleras vågor i magneter med supraledare

Credit: Michael Borst, TU Delft
Credit: Michael Borst, TU Delft

Kvantfysiker vid Delfts tekniska universitet har visat att det för första gången är möjligt att kontrollera och manipulera spinnvågor på ett chip med hjälp av supraledare. Dessa små vågor i magneter kan i framtiden bli ett alternativ till elektronik. Studien, som publiceras i Science, ger framför allt fysikerna nya insikter om samspelet mellan magneter och supraledare.

”Spinnvågor är vågor i ett magnetiskt material som vi kan använda för att överföra information”, förklarar Michael Borst, som ledde experimentet. ”Eftersom spinnvågor kan vara en lovande byggsten för en energieffektiv ersättning för elektronik, har forskare sökt efter ett effektivt sätt att kontrollera och manipulera spinnvågor i flera år.”

Teorin förutsäger att metallelektroder ger kontroll över spinnvågor, men fysiker har knappt sett sådana effekter i experiment förrän nu. ”Genombrottet för vår forskargrupp är att vi visar att vi faktiskt kan kontrollera spinnvågor ordentligt om vi använder en supraledande elektrod”, säger Toeno van der Sar, biträdande professor vid institutionen för kvantnanovetenskap.

Det fungerar på följande sätt: En spinnvåg genererar ett magnetfält som i sin tur genererar en superström i supraledaren. Denna superström fungerar som en spegel för spinnvågen. Den supraledande elektroden reflekterar magnetfältet tillbaka till spinnvågen. Den supraledande spegeln gör att spinnvågorna rör sig långsammare upp och ner, vilket gör att vågorna lätt kan kontrolleras.

Borst säger: ”När spinnvågorna passerar under den supraledande elektroden visar det sig att deras våglängd ändras helt. Och genom att variera elektrodens temperatur en aning kan vi ställa in förändringens storlek mycket exakt.”

”Vi började med ett tunt magnetiskt lager av yttriumjärn-granat (YIG), känt som den bästa magneten på jorden. Ovanpå det lade vi en supraledande elektrod och en annan elektrod för att inducera spinnvågorna. Genom att kyla till -268 grader fick vi elektroden i ett supraledande tillstånd”, säger Van der Sar.

”Det var fantastiskt att se att spinnvågorna blev långsammare och långsammare ju kallare det blev. Det ger oss en unik möjlighet att manipulera spinnvågorna; vi kan böja av dem, reflektera dem, få dem att resonera och mycket mer. Men det ger oss också helt nya insikter om supraledarnas egenskaper.”

Forskarna avbildade spinnvågorna genom att mäta deras magnetfält med en unik sensor, något som var avgörande för experimentet. Van der Sar säger: ”Vi använder elektroner i diamant som sensorer för spinnvågornas magnetfält. Vårt labb är banbrytande inom denna teknik. Det häftiga med den är att vi kan se genom den ogenomskinliga supraledaren på spinnvågorna under, precis som en MRI-scanner kan se genom huden in i någons kropp.”

”Tekniken för spinnvågor är fortfarande i sin linda”, säger Borst. ”För att till exempel kunna tillverka energieffektiva datorer med den här tekniken måste vi först börja bygga små kretsar för att utföra beräkningar. Vår upptäckt öppnar en dörr: supraledande elektroder möjliggör otaliga nya och energieffektiva spinnvågskretsar.”

”Vi kan nu konstruera enheter baserade på spinnvågor och supraledare som producerar lite värme och ljudvågor”, tillägger Van der Sar. ”Tänk på spinntronikens version av frekvensfilter eller resonatorer, komponenter som finns i elektroniska kretsar i t.ex. mobiltelefoner. Eller kretsar som kan fungera som transistorer eller kopplingar mellan kvantbitar i en kvantdator.”

Ytterligare information: M. Borst et al, Observation and control of hybrid spin-wave–Meissner-current transport modes, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adj7576

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.