امواج اسپینی رکورد شکستند؛ انتقال سیگنال ۵ هزار برابر قوی‌تر در تراشه‌های آینده

پژوهشگران موفق به توسعه روشی جدید برای هدایت بسیار کارآمد امواج اسپینی در مسیر‌های دارای پیچ‌های تند شده‌اند؛ دستاوردی که می‌تواند راه را برای نسل آینده رایانش‌های فوق‌کم‌مصرف هموار کند.

به گزارش interestingengineering، این پژوهش نشان می‌دهد امواج اسپینی می‌توانند در یک مسیر Z شکل با بازدهی بیش از ۵ هزار برابر بیشتر نسبت به موجبر‌های متداول حرکت کنند.

محققان برای دستیابی به این نتیجه از یک بلور مگنونی دوبعدی استفاده کردند که از یک لایه مسی دارای آرایه‌ای شش‌ضلعی از حفره‌های بسیار کوچک تشکیل شده و روی یک فیلم مغناطیسی گارنت قرار گرفته است.

حل یکی از دشوارترین چالش‌های حوزه اسپین‌ترونیک

به گفته تایچی گوتو دانشیار مؤسسه تحقیقات ارتباطات الکتریکی دانشگاه توهوکو، خم کردن امواج اسپینی بدون از دست رفتن سیگنال یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این حوزه بوده است.

وی توضیح داد که پژوهشگران با تغییر رویکردی که پیش‌تر در سال ۲۰۲۴ توسعه داده بودند موفق شدند راهکاری برای هدایت امواج اسپینی در پیچ‌های تند با حداقل اتلاف انرژی پیدا کنند. در روش جدید به جای ایجاد الگو روی خود گارنت یک لایه فلزی الگودار روی آن قرار داده شده است.

گوتو تأکید کرد این فناوری می‌تواند مسیر عملی برای توسعه مدار‌های مجتمع مبتنی بر امواج اسپینی را فراهم کند؛ مدار‌هایی که در آینده قادر خواهند بود مصرف برق مراکز داده را به کسری از میزان کنونی کاهش دهند.

راهکاری برای بحران مصرف انرژی در عصر هوش مصنوعی

پژوهشگران یادآور شدند که رشد سریع سامانه‌های هوش مصنوعی و مراکز داده موجب افزایش چشمگیر مصرف برق و تولید گرما در تجهیزات الکترونیکی متداول شده است.

امواج اسپینی که در واقع نوسانات مغناطش در مواد مغناطیسی هستند می‌توانند اطلاعات را بدون جابه‌جایی الکترون‌ها منتقل کنند. از آنجا که انتقال اطلاعات از طریق این امواج گرمای بسیار کمتری تولید می‌کند، مدت‌هاست به عنوان یکی از گزینه‌های اصلی برای ساخت رایانه‌های کم‌مصرف آینده مطرح هستند.

با این حال یکی از موانع اصلی توسعه مدار‌های مبتنی بر امواج اسپینی، تضعیف سریع این امواج هنگام حرکت به‌ویژه در مسیر‌های خمیده بوده است.

کشف نخستین شکاف باند مگنونی کامل در این ساختار

در این مطالعه محققان ایده‌ای را که در سال ۲۰۲۴ ارائه کرده بودند وارونه کردند. در پژوهش قبلی دیسک‌های مسی روی گارنت قرار داده شده بود، اما این بار یک فیلم مسی سوراخ‌دار با آرایه‌ای شش‌ضلعی از حفره‌ها و شکاف‌های باریک میان آنها روی گارنت قرار گرفت.

شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی الکترومغناطیسی نشان داد این ساختار قادر به ایجاد شکاف باند مگنونی کامل است؛ پدیده‌ای که می‌تواند امواج اسپینی را بدون توجه به جهت ورود آنها بازتاب دهد.

به گفته پژوهشگران این نخستین گزارش از ایجاد یک شکاف باند مگنونی کامل در یک بلور مگنونی دوبعدی مبتنی بر گارنت مغناطیسی محسوب می‌شود. همچنین برای ساختار اصلی موجبر توسعه‌یافته درخواست ثبت اختراع نیز ارائه شده است.

انتقال سیگنال ۵ هزار برابر قوی‌تر

محققان سپس با حذف یک ردیف از حفره‌ها درون بلور مگنونی یک نقص خطی ایجاد کردند که مسیر Z شکلی برای حرکت امواج اسپینی به وجود آورد.

نتایج نشان داد در حالی که امواج اسپینی در موجبر‌های مرسوم از نوع ریج (Ridge Waveguide) پیش از رسیدن به انتهای مسیر به شدت تضعیف می‌شوند در ساختار جدید توانستند به‌راحتی کل مسیر را طی کنند.

بررسی‌ها نشان داد شدت انتقال امواج اسپینی در موجبر جدید حدود ۵٫۷ هزار برابر بیشتر از موجبر‌های متداول است.

در این مطالعه انتقال امواج اسپینی از میان پیچ‌های Z شکل با زاویه ۱۲۰ درجه در موجبر‌های بلور مگنونی کم‌اتلاف بررسی شد. این ساختار از گارنت آهن ایتریوم (YIG) و آرایه‌ای از حفره‌های مسی تشکیل شده بود.

بهینه‌سازی ساختار با استفاده از روش تکنیک انتگرال‌گیری محدود انجام شد و وجود یک شکاف باند مگنونی کامل با پهنای ۱۵٫۱ مگاهرتز و فرکانس مرکزی ۱٫۸۱۱ گیگاهرتز تایید شد.

پژوهشگران اعلام کردند دلیل اصلی عملکرد برتر این موجبر جلوگیری از افت امواج اسپینی ناشی از توزیع ناهمگن میدان مغناطیسی داخلی در فیلم YIG است؛ عاملی که در موجبر‌های متداول باعث تضعیف شدید سیگنال می‌شود.

این دستاورد می‌تواند گام مهمی در توسعه مدار‌های مگنونیکی و رایانش‌های نسل آینده باشد؛ فناوری‌هایی که با مصرف انرژی بسیار کمتر پاسخگوی نیاز‌های روزافزون هوش مصنوعی و مراکز داده خواهند بود.