用于自旋技术的新型纳米设备

诸平

New nanoscale device for spin technology

https://newscentral.site/new-nanoscale-device-for-spin-technology/

Fig. 1 Spin-wave transmission in a YIG film with a single ferromagnetic metal stripe. 

Fig. 2 TR-MOKE microscopy of propagating spin waves in a YIG film with a single ferromagnetic metal stripe. 

Fig. 3 Dispersion relations and resonant scattering of spin waves.

 Fig. 4 Tailoring of transmission gaps. 

据芬兰阿尔托大学（Aalto University）2021年4月16日提供的消息，该校的研究人员开发了一种用于自旋电子学的全新设备。相关研究结果于2021年4月16日已在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上发表——Huajun Qin, Rasmus B. Holländer, Lukáš Flajšman, Felix Hermann, Rouven Dreyer, Georg Woltersdorf, Sebastiaan van Dijken. Nanoscale magnonic Fabry-Pérot resonator for low-loss spin-wave manipulation. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 2293. Published: 16 April 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22520-6. 它标志着朝着利用自旋电子学制造用于信息处理和通信技术的笔记本电脑芯片和配件的目标迈出了一步，而这些配件可能很小，但非常有效。

参与此项研究的除了来自芬兰阿尔托大学理学院应用物理系的研究人员之外，还有来自德国卡尔斯鲁厄理工学院物理研究所（Physikalisches Institut, Karlsruhe Institute of Technology）以及德国马丁-路德大学物理研究所（Institute of Physics, Martin Luther University Halle-Wittenberg）的研究人员。

传统电子产品利用电力成本来进行计算，而我们的大多数日常技术都需要这种计算。但是，工程师们无法使电子产品的计算速度更快，因为转移成本会产生热量，而我们已经到了小而快的芯片比过热更早出现的极限。由于无法将电子产品做得更小，因此考虑到，计算机系统将无法以过去7年的类似费用获得更高的效率和更便宜的价格。这正是自旋电子学（spintronics）大显身手之地。

“自旋（Spin）”是类似于电子的粒子的性质，其性质与“电荷（charge）”相同。研究人员热衷于利用自旋来支持计算，因为它避免了当前笔记本电脑芯片的发热问题。领导该论文撰写小组的塞巴斯蒂安·范·迪肯（Sebastiaan van Dijken）教授说：“如果利用自旋波，它就是自旋的转换，就不会有转移成本，所以不会产生热量。

纳米尺度的磁供应（Nanoscale magnetic supplies）

员工制作的设备是法布里-珀罗谐振器（Fabry-Pérot resonator），这是一种著名的光学软件，用于创建波长严格控制的阳光光束。研究人员在这项工作中建立的自旋波模型使他们能够调节和过滤小配件中的自旋波，这些小部件可能仅占纳米的几分之一。

这些小物件是通过将极薄的具有独特磁性的耗材彼此夹在一起而制成的。这就创建了一种设备，可以捕获到在材料内部的自旋波，并在它们不在指定频率的情况下被抵消。该论文的第一作者秦华钧博士（Dr Huajun Qin）解释说：“这个想法是新颖的，无论实施起来多么简单，其诀窍是制造高质量的耗材，而我们在阿尔托大学就有。不可否认的事实是，制造这些小物件并不难，这意味着我们可以为激动人心的新工作提供多种选择。”

无线信息处理和模拟计算（Wireless information processing and analogue computing）

电子器件加速的点会超过过热，此外，它们还会触发wi-fi传输问题，因为wi-fi指示器必须从其较大的频率一直转换到数字电路可以处理的频率。这种转化减慢了此方法的速度，并需要活力。自旋波芯片可以在手机和wi-fi指示器中使用的微波频率上起作用，这意味着它们迟早有可能在更快、更可靠的wi-fi通信应用科学中发挥作用。

此外，可以利用自旋波进行计算，其方法可能比执行特定任务的数字计算更快。“电子计算利用‘布尔’或二进制逻辑来进行计算，”塞巴斯蒂安·范·迪肯教授解释说，“对于自旋波的知识是在波的振幅范围内传播的，从而可以进行额外的模拟时尚计算。这表明它对于诸如图像处理或样本识别之类的特殊工作可能非常有帮助。关于我们系统的奇妙之处在于，它的尺寸结构意味着它必须简单地结合到现有的技术中。

现在，工作人员已经有了谐振器来过滤和管理自旋波，接下来的步骤就是为它们制作一个完整的电路。“要建立磁路，我们需要能够将自旋波导向功能组件，就像在电子微芯片上传导电通道的方式一样。”秦博士解释说，“我们正在寻找制造类似的结构来控制自旋波。”此项研究得到了芬兰科学院（Academy of Finland）和德国研究基金会（German Research Foundation）的支持。器件制造是在Otano进行的。上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Active control of propagating spin waves on the nanoscale is essential for beyond-CMOS magnonic computing. Here, we experimentally demonstrate reconfigurable spin-wave transport in a hybrid YIG-based material structure that operates as a Fabry-Pérot nanoresonator. The magnonic resonator is formed by a local frequency downshift of the spin-wave dispersion relation in a continuous YIG film caused by dynamic dipolar coupling to a ferromagnetic metal nanostripe. Drastic downscaling of the spin-wave wavelength within the bilayer region enables programmable control of propagating spin waves on a length scale that is only a fraction of their wavelength. Depending on the stripe width, the device structure offers full nonreciprocity, tunable spin-wave filtering, and nearly zero transmission loss at allowed frequencies. Our results provide a practical route for the implementation of low-loss YIG-based magnonic devices with controllable transport properties.