Dva brněnští fyzici vyzkoumali novou metodu, díky níž bude možné navrhovat menší a efektivnější čipy do zařízení jako jsou chytré telefony, počítače a podobně. Jakub Krčma z Fakulty strojního inženýrství VUT a Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT (nyní hostuje na MIT v USA) konkrétně vytvořili způsob měření vlastností krátkých spinových vln, čímž prolomili dosud nepřekonatelnou bariéru v dalším bádání.
Krčma a Wojewoda zkoumají magnoniku, tedy fyzikální obor zabývající se spinovými vlnami. Ty jsou něco jako vlnění v magnetických materiálech schopné přenášet informace. Jejich práce byla zveřejněna v časopise Science Advances.
Krčma a Wojewoda svůj průlom popisují následovně:
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.
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.
Metoda zveřejněná v Science Advances byla pojmenována Mie BLS a tuto doposud nepřekonatelnou bariéru odstraňuje. Metoda spočívá v tom, že se na povrch vzorku umísťují velmi tenké křemíkové proužky (nanorezonátory), které fungují 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.
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.
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.
Wojewoda mimochodem nedávno vyzkoumal i to, jak by se dala výrazně snížit obří energetická nároční umělé inteligence. Pomocí Mieho rezonancí v dielektrických materiálech vyvinul metodu, která umožňuje efektivní měření krátkých spinových vln běžnou laboratorní technikou.
