Niet waar de golf is, maar hoe hij beweegt

Bestaande technieken, zoals microgefocuste Brillouin-lichtverstrooiing en scanningmagnetometrie met stikstofvacatures in diamant, zijn vooral gericht op beelden in de gewone ruimte. Daarmee is goed te zien waar een spinwave zich bevindt, maar de allersnelste magnonen met de kortste golflengten zijn lastiger te onderscheiden .

MMM kiest een andere invalshoek. De methode meet de golfvector: informatie over de golflengte en de voortplantingsrichting van de spinwave. Resonante zachte röntgenstraling wordt afgestemd op de magnetische absorptieranden van het materiaal. Wanneer de röntgenstraling op voortplantende spinsgolven valt, gedragen die golven zich als een dynamisch diffractierooster.

Op de detector ontstaan vervolgens duidelijke diffractiepieken in de +1e en −1e orde. De positie van die pieken bevat rechtstreeks informatie over de golflengte, richting en amplitude van de magnonen. In één meting ontstaat zo een tweedimensionaal overzicht van de aanwezige spinwave-modi .

De techniek kan magnonen met golflengten onder 100 nanometer bereiken, tot op enkele nanometers, en daarmee dynamica op terahertzfrequenties onderzoeken. Bovendien is er geen ingewikkelde nanostructurering van het testmateriaal nodig. Volgens de onderzoekers kan MMM met verschillende magnetische materialen en uiteenlopende manieren van aandrijven worden gebruikt .

Een opvallend patroon in YIG

De onderzoekers testten MMM op yttrium-ijzer-granaat (YIG), een magnetische isolator die bekendstaat om zijn zeer geringe magnetische demping. Bij een laag excitatievermogen bewogen de magnonen zoals verwacht grotendeels in één duidelijk afgebakende richting.

Toen het vermogen werd opgevoerd, veranderde het beeld. De magnonen verspreidden zich door de impulssruimte en vormden een opvallende elliptische ring. De energie bewoog dus niet langer in één nette baan, maar werd over meerdere richtingen verdeeld .

Dat patroon is de experimentele handtekening van vier-magnonenverstrooiing, een vorm van parametrische instabiliteit. Eenvoudig gezegd botsen twee aanvankelijk aangeslagen, voortplantende magnonen met elkaar. Daaruit ontstaan twee nieuwe magnonen met andere golfvectoren. Omdat energie en impuls behouden blijven, kunnen de nieuwe magnonen zich over verschillende richtingen verspreiden, afhankelijk van de beschikbare toestanden in het materiaal .

Vier-magnonenverstrooiing was al bekend bij ruimtelijk uniforme modi met een golfvector van nul. De nieuwe metingen vormen volgens de onderzoekers de eerste directe waarneming van de uitgebreidere variant met voortplantende magnonen bij eindige golfvectoren . Dat is een belangrijk verschil voor toepassingen: in een praktisch apparaat moeten signalen immers van de ene plek naar de andere kunnen reizen.

Waarom dit relevant is voor computers

Magnonica probeert informatie te verwerken met spinsgolven in plaats van met elektrische stromen. Omdat spinsgolven zich ook door isolerende materialen kunnen voortplanten, zouden magnonische schakelingen in theorie minder energie kunnen verliezen dan conventionele CMOS-elektronica. Er is daarbij geen ladingsstroom die op dezelfde manier Joule-warmte produceert .

De zeer korte golflengten die MMM toegankelijk maakt, hangen bovendien samen met terahertzfrequenties. Die liggen ongeveer honderd keer hoger dan de gigahertzfrequenties waarop hedendaagse CPU-klokken doorgaans werken . Dat maakt de fysica interessant voor toekomstige, zeer snelle rekenarchitecturen die verder gaan dan klassieke CMOS-technologie.

Alleen golven laten voortplanten is echter niet genoeg om een computer te bouwen. Een bruikbaar systeem moet signalen ook kunnen sturen, splitsen, combineren en schakelen. Daarvoor zijn niet-lineaire interacties essentieel.

MMM biedt onderzoekers een directe manier om zulke processen, waaronder vier-magnonenverstrooiing, in kaart te brengen en te kwantificeren. Op termijn zouden parametrische instabiliteiten kunnen worden benut voor frequentieomzetters, vermogensbegrenzers en logische poorten die op interferentie zijn gebaseerd. Ook toepassingen in neuromorfe computers en reservoircomputers behoren tot de mogelijkheden die de onderzoekers noemen .

Meer dan een nieuwe microscoop

De betekenis van MMM ligt daarom niet alleen in het nieuwe beeld van YIG. De methode verlaagt een experimentele drempel voor een heel onderzoeksgebied. De snelste magnonen met de kortste golflengten — precies de golven die interessant zijn voor compacte apparaten — waren tot nu toe moeilijk rechtstreeks te bestuderen.

Omdat MMM met verschillende materialen en excitatiemethoden kan worden gecombineerd, kan de techniek verder gaan dan YIG. Mogelijke vervolgstappen zijn onderzoek aan antiferromagnetische materialen, waarin nog snellere spindynamica voorkomt, en ultr snelle pomp-sondemetingen om tijdelijke niet-lineaire processen op femtosecondeschaal te volgen .

Voorlopig betekent de doorbraak vooral dat onderzoekers eindelijk beter kunnen zien wat er op nanoschaal met spinsgolven gebeurt. Die zichtbaarheid is een noodzakelijke stap voordat magnonische interacties kunnen uitgroeien van een interessant laboratoriumverschijnsel tot een werkend onderdeel van toekomstige golfgebaseerde computers.

Niet waar de golf is, maar hoe hij beweegt

Bestaande technieken, zoals microgefocuste Brillouin-lichtverstrooiing en scanningmagnetometrie met stikstofvacatures in diamant, zijn vooral gericht op beelden in de gewone ruimte. Daarmee is goed te zien waar een spinwave zich bevindt, maar de allersnelste magnonen met de kortste golflengten zijn lastiger te onderscheiden .

MMM kiest een andere invalshoek. De methode meet de golfvector: informatie over de golflengte en de voortplantingsrichting van de spinwave. Resonante zachte röntgenstraling wordt afgestemd op de magnetische absorptieranden van het materiaal. Wanneer de röntgenstraling op voortplantende spinsgolven valt, gedragen die golven zich als een dynamisch diffractierooster.

Op de detector ontstaan vervolgens duidelijke diffractiepieken in de +1e en −1e orde. De positie van die pieken bevat rechtstreeks informatie over de golflengte, richting en amplitude van de magnonen. In één meting ontstaat zo een tweedimensionaal overzicht van de aanwezige spinwave-modi .

De techniek kan magnonen met golflengten onder 100 nanometer bereiken, tot op enkele nanometers, en daarmee dynamica op terahertzfrequenties onderzoeken. Bovendien is er geen ingewikkelde nanostructurering van het testmateriaal nodig. Volgens de onderzoekers kan MMM met verschillende magnetische materialen en uiteenlopende manieren van aandrijven worden gebruikt .

Een opvallend patroon in YIG

De onderzoekers testten MMM op yttrium-ijzer-granaat (YIG), een magnetische isolator die bekendstaat om zijn zeer geringe magnetische demping. Bij een laag excitatievermogen bewogen de magnonen zoals verwacht grotendeels in één duidelijk afgebakende richting.

Toen het vermogen werd opgevoerd, veranderde het beeld. De magnonen verspreidden zich door de impulssruimte en vormden een opvallende elliptische ring. De energie bewoog dus niet langer in één nette baan, maar werd over meerdere richtingen verdeeld .

Dat patroon is de experimentele handtekening van vier-magnonenverstrooiing, een vorm van parametrische instabiliteit. Eenvoudig gezegd botsen twee aanvankelijk aangeslagen, voortplantende magnonen met elkaar. Daaruit ontstaan twee nieuwe magnonen met andere golfvectoren. Omdat energie en impuls behouden blijven, kunnen de nieuwe magnonen zich over verschillende richtingen verspreiden, afhankelijk van de beschikbare toestanden in het materiaal .

Vier-magnonenverstrooiing was al bekend bij ruimtelijk uniforme modi met een golfvector van nul. De nieuwe metingen vormen volgens de onderzoekers de eerste directe waarneming van de uitgebreidere variant met voortplantende magnonen bij eindige golfvectoren . Dat is een belangrijk verschil voor toepassingen: in een praktisch apparaat moeten signalen immers van de ene plek naar de andere kunnen reizen.

Waarom dit relevant is voor computers

Magnonica probeert informatie te verwerken met spinsgolven in plaats van met elektrische stromen. Omdat spinsgolven zich ook door isolerende materialen kunnen voortplanten, zouden magnonische schakelingen in theorie minder energie kunnen verliezen dan conventionele CMOS-elektronica. Er is daarbij geen ladingsstroom die op dezelfde manier Joule-warmte produceert .

De zeer korte golflengten die MMM toegankelijk maakt, hangen bovendien samen met terahertzfrequenties. Die liggen ongeveer honderd keer hoger dan de gigahertzfrequenties waarop hedendaagse CPU-klokken doorgaans werken . Dat maakt de fysica interessant voor toekomstige, zeer snelle rekenarchitecturen die verder gaan dan klassieke CMOS-technologie.

Alleen golven laten voortplanten is echter niet genoeg om een computer te bouwen. Een bruikbaar systeem moet signalen ook kunnen sturen, splitsen, combineren en schakelen. Daarvoor zijn niet-lineaire interacties essentieel.

MMM biedt onderzoekers een directe manier om zulke processen, waaronder vier-magnonenverstrooiing, in kaart te brengen en te kwantificeren. Op termijn zouden parametrische instabiliteiten kunnen worden benut voor frequentieomzetters, vermogensbegrenzers en logische poorten die op interferentie zijn gebaseerd. Ook toepassingen in neuromorfe computers en reservoircomputers behoren tot de mogelijkheden die de onderzoekers noemen .

Meer dan een nieuwe microscoop

De betekenis van MMM ligt daarom niet alleen in het nieuwe beeld van YIG. De methode verlaagt een experimentele drempel voor een heel onderzoeksgebied. De snelste magnonen met de kortste golflengten — precies de golven die interessant zijn voor compacte apparaten — waren tot nu toe moeilijk rechtstreeks te bestuderen.

Omdat MMM met verschillende materialen en excitatiemethoden kan worden gecombineerd, kan de techniek verder gaan dan YIG. Mogelijke vervolgstappen zijn onderzoek aan antiferromagnetische materialen, waarin nog snellere spindynamica voorkomt, en ultr snelle pomp-sondemetingen om tijdelijke niet-lineaire processen op femtosecondeschaal te volgen .

Voorlopig betekent de doorbraak vooral dat onderzoekers eindelijk beter kunnen zien wat er op nanoschaal met spinsgolven gebeurt. Die zichtbaarheid is een noodzakelijke stap voordat magnonische interacties kunnen uitgroeien van een interessant laboratoriumverschijnsel tot een werkend onderdeel van toekomstige golfgebaseerde computers.