磁振子納米纖維研究：為新興技術(shù)及的構(gòu)造開辟了道路

磁體的磁性順序中的局部擾動(dòng)會(huì)以波的形式在整個(gè)材料上傳播，這些波稱為自旋波，其相關(guān)的晶格中電子自旋結(jié)構(gòu)集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子稱為磁振子（英語：Magnon）。

關(guān)于磁振子的研究，發(fā)展成為了納米科學(xué)中的一個(gè)新型的科學(xué)領(lǐng)域，稱為磁振子學(xué)（英語：Magnonics）。

磁性提供了創(chuàng)建我們現(xiàn)在所使用的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的途徑方法，但是在納米級實(shí)現(xiàn)磁性計(jì)算以提供功能更強(qiáng)大、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)一直是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，由德國凱撒斯勞滕工業(yè)大學(xué)，德國耶拿信達(dá)電子和維也納大學(xué)組成的一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》上報(bào)道了他們使用利用磁振子來開發(fā)新型計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)重大進(jìn)展，從而可能為新型計(jì)算機(jī)開辟道路。

這種使用磁振子的新一代計(jì)算機(jī)可能會(huì)更強(qiáng)大，并且消耗更少的能量。為此，一個(gè)主要的先決條件是能夠制造出所稱的單模波導(dǎo)（single-mode waveguides），使科學(xué)家能夠使用基于波的先進(jìn)信號處理方案。這需要將結(jié)構(gòu)的尺寸縮小到納米尺度。這樣的開發(fā)將相當(dāng)于打開進(jìn)入人腦功能的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)之門。

然而，將磁振子技術(shù)的規(guī)模縮小到納米規(guī)模具有挑戰(zhàn)性。用于磁振子應(yīng)用的非常具有前景的材料是釔鐵石榴石（Yttrium Iron Garnet，簡稱：YIG）。釔鐵石榴石歷來是稱為是一種高貴的磁性材料。磁振子在這種材料內(nèi)的壽命是其它材料內(nèi)的一百倍。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、維也納大學(xué)的Andrii Chumak教授說。 “如果您嘗試用它制造出微小的結(jié)構(gòu)，那么對于釔鐵石榴石是非常復(fù)雜且難以操作。所以釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)幾十年來最小都具有毫米大小?，F(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)終于設(shè)法將尺寸降低到了50納米，比過去要小大約10萬倍。

德國凱撒斯勞滕工業(yè)大學(xué)的納米結(jié)構(gòu)中心開發(fā)了一項(xiàng)特殊的生產(chǎn)的釔鐵石榴石膠片的新技術(shù)。在釔鐵石榴石的頂部制作了一層稱為掩模的薄金屬層，使大部分薄膜暴露在外。然后，試樣被強(qiáng)力的氬離子流轟擊，從而去除了釔鐵石榴石未被保護(hù)的部分，而掩模下面的材料則保持不變。然后，去除金屬掩膜，露出成品釔鐵石榴石的50納米的細(xì)條。

如圖所示，左面板顯示了50納米的釔鐵石榴石波導(dǎo)的顯微照片。激發(fā)的自旋波沿條帶傳播。右側(cè)面板顯示磁振納米纖維波導(dǎo)的放大部分，并將其大小與目前流行的新冠病毒進(jìn)行了比較。

對于整個(gè)這樣的技術(shù)過程的成功，至關(guān)重要的是，要找到適合掩模罩的材料，找出其厚度，并調(diào)整數(shù)十種不同的參數(shù)，以保存釔鐵石榴石的特性。 “經(jīng)過幾年的研究，研究團(tuán)隊(duì)終于找到了所要尋找的鉻和鈦層組合的掩模層。

該釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)的尺度大約比人的頭發(fā)的厚度小一千倍。成功構(gòu)造之后，科學(xué)家們繼續(xù)研究磁振子的傳播，以評估納米級釔鐵石榴石結(jié)構(gòu)是否保持了釔鐵石榴石膜的優(yōu)異材料性能。

研究團(tuán)隊(duì)表示：我們能夠證明該結(jié)構(gòu)化過程對這種材料的出色性能產(chǎn)生很小的影響?！?“此外，我們能夠通過實(shí)驗(yàn)證明，磁振子能夠像以前理論上所預(yù)測的那樣，有效地在磁振通道中長距離有效地承載信息。這些結(jié)果是磁導(dǎo)電路發(fā)展的重要里程碑，證明了基于磁振子納米纖維的數(shù)據(jù)處理的一般可行性，為新型計(jì)算機(jī)的構(gòu)造開辟了道路。