Vědci z CEITEC vyvinuli metodu, která otevírá dveře k novým, menším a efektivnějším čipům

Fyzici z brněnského CEITEC VUT vyvinuli novou metodu, která dokáže měřit vlastnosti krátkých spinových vln. Ty si můžeme představit jako vlnění v magnetických materiálech, které umí přenášet informaci. Krátké spinové vlny mají potenciál najít uplatnění v nové generaci výpočetních zařízení, například u čipů do počítačů a telefonů. Nově vyvinutá metoda překovává dosud nepřekonatelnou bariéru v bádání. Výsledky jejich několikaletého výzkumu nyní zveřejnil prestižní časopis Science Advances.

Jakub Krčma z Fakulty strojního inženýrství VUT a Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT se zabývají magnonikou – fyzikální disciplínou, která se zabývá spinovými vlnami. „Spinové vlny bychom si mohli představit jako kolektivní pohyb mnoha navzájem se ovlivňujících střelek kompasu v magnetické látce. Jinak řečeno jde o vlnění, které se šíří vnitřkem takové látky, a zároveň při tom přenáší zakódovanou informaci,“ uvádí hned na začátek Ondřej Wojewoda, který nyní působí na Ústavu materiálových věd a inženýrství (DMSE) na americkém MIT.

Ke studiu spinových vln se používá optická technika takzvaná mikroskopie Brillouinova rozptylu světla (µBLS). Tu si můžeme představit jako laserovou lupu: objektiv zaostří laser na velmi malé místo na vzorku a informace o materiálu se vyčítají ze změn světla po interakci s ním. Má to ale háček: tato „lupa“ má své limity. Funguje totiž dobře jen pro pozorování vln s vlnovou délkou více než 300 nanometrů, kratší spinové vlny se takto změřit nedají.

300 nanometrů, limit metody µBLS, nezní jako velké číslo – vždyť nanometr je jen miliontina milimetru, takže se pohybujeme zhruba na úrovni velikosti některých virů. Je však potřeba si uvědomit, že v kontextu dnešní elektroniky je 300 nanometrů násobně víc než velikost tranzistoru v moderním čipu. Pokud tedy uvažujeme o uplatnění spinových vln v moderní elektronice, narážíme na limity této metody. Krátké spinové vlny, které jsou klíčové pro budoucí miniaturizaci čipů, zkrátka nejde nijak měřit.

Jedinou možností, jak změřit kratší spinové vlny, doposud byly obří a drahé urychlovače částic zvané synchrotrony, ale ani ty nedokázaly zachytit krátké vlny. Výzkum tak narážel na neprolomitelnou zeď.

CEITEC/Petra Králová: Vědci z CEITEC vyvinuli metodu, která otevírá dveře k novým, menším a efektivnějším čipům: Jakub Krčma, CEITEC VUT

Mie BLS: metoda, která přinutila světlo „změnit pravidla hry“

V nové studii publikované v prestižním časopise Science Advances vědci popsali novou metodu, kterou nazvali Mie BLS, která tuto doposud nepřekonatelnou bariéru odstraňuje. Metoda spočívá v tom, že na povrch vzorku umístili velmi tenké křemíkové proužky (nanorezonátory), které zafungovaly jako „zesilovače“ a „naváděcí čočky“ pro světlo.

„Pomocí Mieho rezonance dokážeme světlo zaostřit a zesílit tak, že už není svázané vlastní vlnovou délkou. Nanorezonátory fungují jako prostředník, který umožní světlu komunikovat i s těmi kratšími spinovými vlnami, které byly dosud neviditelné,“ vysvětluje Jakub Krčma.

„Tento náš postup je převratný v tom, že navazuje na již existující optickou metodu a vylepšuje ji tak, že nyní můžeme pohodlně měřit tyto krátké spinové vlny, a to dokonce se standardním laboratorním vybavením,“ říká dále Ondřej Wojewoda. Vědcům se tak podařilo prolomit bariéru, která se dlouho zdála nepřekonatelná.

CEITEC/Marcela Frýbortová: Vědci z CEITEC vyvinuli metodu, která otevírá dveře k novým, menším a efektivnějším čipům: Ondřej Wojewoda, CEITEC VUT

Se schopností pozorovat a měřit krátké spinové vlny se otevírají dveře k návrhu a výrobě takzvaných magnonických čipů, kde je přenos informace založený na krátkých spinových vlnách. Ty by mohly zásadně změnit možnosti výpočetní techniky, protože se nepřehřívají. Spinové vlny totiž nepřenášejí elektrický náboj, takže neprodukují teplo narozdíl od elektrického proudu. Navíc spotřebují až dvacetkrát méně energie než dnešní elektronika, což je v době neustálých diskuzí o energetické náročnosti moderních technologií, zcela zásadní.

Metoda najde využití i mimo výpočetní techniku – v materiálových vědách, biologii či diagnostice mikrotrhlin v kritických součástkách, například v leteckém průmyslu.