Spintronika, informatyka kwantowa i magnetyzm molekularny, czyli o postępie technologii informacyjnychCzas czytania: 8 min

Bartosz Bagrowski

2021-09-12
Spintronika, informatyka kwantowa i magnetyzm molekularny, czyli o postępie technologii informacyjnych<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">8</span> min </span>

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

 

Rozwój nauki nieustannie idzie w parze z postępem technologii. Są to gałęzie rozwoju cywilizacyjnego, które cały czas wzajemnie się napędzają – nauka umożliwia opracowywanie nowych wynalazków inżynieryjnych, zaś technologia sprawia, że możliwe stają się kolejne odkrycia naukowe1. Jedną z ważnych dziedzin, gdzie nauka spotyka się z technologią, jest spintronika, która stoi na pograniczu fizyki kwantowej z informatyką, elektroniką, automatyką i robotyką2. W ostatnim numerze „Physical Review X” ukazał się artykuł zespołu badawczego z Rice University zatytułowany Magnetic Field Effect on Topological Spin Excitations in CrI3 [Wpływ pola magnetycznego na topologiczne wzbudzenia spinowe w CrI3]3, który może stanowić istotne podstawy do dalszego rozwoju spintroniki, a w konsekwencji także dziedzin, które z niej korzystają, np. informatyki kwantowej. Aby jednak przybliżyć znaczenie odkrycia opisanego we wspomnianym artykule, należy omówić nieco samą spintronikę, którą coraz częściej traktuje się jako technologię przyszłości.

 

Czym jest spintronika?

Zgodnie z ujęciem przyjmowanym w spintronice, która jest nazywana także elektroniką spinową, nośnikiem informacji w układach scalonych są nie tylko zmiany w przepływie prądu elektrycznego, ale bierze się pod uwagę także spin elektronu, czyli moment pędu cząstki wynikający z jego natury kwantowej. Spin jest wewnętrzną właściwością cząstki, podobnie jak ładunek elektryczny, jednak nie wpływa on na przepływ prądu elektrycznego, ale odgrywa kluczową rolę w wywoływaniu zjawiska magnetyzmu4. Spintronika, którą coraz częściej traktuje się jako technologię przyszłości, może stać się wiodącą technologią w mikroelektronice, technikach przechowywania danych oraz szeroko pojętych technologiach informatycznych5, zaś jednymi z najbardziej obiecujących kierunków badań związanych ze spintroniką i informatyką kwantową są prace nad sztuczną inteligencją6 oraz badania zmierzające do skonstruowania komputera kwantowego, czyli urządzenia, w którym dane reprezentowane są przez aktualny stan kwantowy układu, wykorzystującego zasady fizyki w oparciu o algorytmy kwantowe. Komputery te stanowią przyszłość technologii informacyjnej, ponieważ przewiduje się, że będą w stanie przetwarzać dane kilkukrotnie szybciej niż znane nam obecnie komputery7. W tym kontekście spintronika staje się dziedziną, która może leżeć u podstaw dalszego rozwoju cywilizacyjnego. Aktualnie w spintronice coraz większą rolę odgrywa magnetyzm molekularny, który nieustannie rozwija się w kierunku wykorzystania cząsteczek i materiałów magnetycznych oraz nanotechnologii8. W spintronice molekularnej zwraca się szczególną uwagę na materiały dwuwymiarowe (2D), czyli takie, które składają się tylko z jednej warstwy atomów ułożonych w dwuwymiarową nanostrukturę. Jednymi z najbardziej znanych materiałów 2D są grafen oraz warstwy materiałów magnetycznych van der Waalsa.

 

Nanomateriały, ferromagnetyzm i rola magnonów

Materiały magnetyczne van der Waalsa składają się z kilku związanych płaszczyzn atomów (materiałów 2D). Atomy tworzące poszczególne warstwy są ze sobą bardzo silnie związane, jednak wiązania pomiędzy warstwami są relatywnie słabe. Te właściwości materiałów van der Waalsa pozwalają na niemal dowolne układanie warstw 2D w stosy oraz rozdzielanie ich, a przy tym badanie ich zachowań elektronicznych i magnetycznych w poszczególnych ułożeniach9. Wykazano bowiem, że w magnesach 2D zbudowanych z jodku chromu (III) [CrI3] porządek magnetyczny jest zależny od ułożenia. Podczas gdy pojedyncza płaszczyzna cząsteczek CrI3 wykazuje właściwości ferromagnetyczne, dwie ułożone na sobie warstwy są antyferromagnetyczne10. Co ciekawe, stosy z trzech lub większej liczby takich warstw ponownie wykazują właściwości ferromagnetyczne11. Naukowcy próbują zbadać mikroskopowo pochodzenie tego intrygującego zjawiska oraz samych wzbudzeń magnetycznych. Okazuje się, że wytwarzanie własnego pola magnetycznego przez CrI3 możliwe jest dzięki tzw. magnonom, czyli quasi-czątkom opisującym elementarne porcje energii odpowiedzialne za tworzenie fal magnetycznych. W materiałach mających właściwości magnetyczne każda pojedyncza cząsteczka działa jak mały magnes, dlatego też każda z nich ma swój określony wektor, a pola magnetyczne cząsteczek sąsiadujących wzmacniają się nawzajem. Magnony sprawiają jednak, że niektóre wektory zmieniają swój zwrot, a zjawisko to zachodzi w całym materiale, rozchodząc się po nim jak fala, a to automatycznie zmniejsza całkowitą siłę magnetyczną grupy. Magnony wpływają więc na ogólną siłę magnetyczną12. Wykazano także, że magnony są silnie sprzężone z fotonami (cząsteczkami światła), co może wpływać na wydajną wymianę informacji pomiędzy układami o różnych modalnościach13. Najprawdopodobniej odgrywają także istotną rolę w kodowaniu informacji w wartościach kwantowych elektronów. Według zespołu badawczego z Rice University, ujawnienie pochodzenia obserwowanego porządku ferromagnetycznego i antyferromagnetycznego w warstwach CrI3 może zapewnić nowe zrozumienie wzbudzeń spinowych, bowiem sprzężenie pomiędzy spinem a orbitą elektronu sprawia, że spiny elektronów wchodzą z sobą w interakcję, a jednocześnie w zróżnicowany sposób odczuwają pole magnetyczne. To z kolei wpływa na topologię ich wzbudzeń w określonym materiale, zaś jej znajomość może się przyczynić do lepszego zrozumienia informacji przekazywanych w sposób kwantowy, a przez to do szybszego rozwoju spintroniki oraz innych dziedzin, które się na niej opierają14.

Dzięki omawianemu odkryciu możliwy będzie nie tylko postęp spintroniki molekularnej, ale również rozwój informatyki kwantowej i komputerów kwantowych, co jest szczególnie ważne z punktu widzenia rozwoju cywilizacyjnego.

Bartosz Bagrowski

 

Źródło zdjęcia: Wikimedia

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 29.08.2021

Przypisy

  1. Por. B. Bagrowski, Nowa technika mikroskopowa – szansa dla rozwoju nauki, „W Poszukiwaniu Projektu” 13.06.2021 [dostęp 11 IX 2021]; B. Bagrowski, Metale ziem rzadkich a elektrochemiczne wynalazki inżynieryjne – czyli o zwiększeniu efektywności ogniw paliwowych typu PEMFC, „W Poszukiwaniu Projektu” 29.08.2021 [dostęp 11 IX 2021].
  2. Por. J. Barnaś, Spin w elektronice, „Postępy Fizyki” 2002, t. 53D, s. 78–84 [dostęp 11 IX 2021]; G. Xiao et al., What is Spintronics (Magnetoelectronics, Spin Electronics, or Spin–based Electronics)?, „Nanoscale Physics and Devices at Brown University” [dostęp 11 IX 2021].
  3. Por. L. Chen et al., Magnetic Field Effect on Topological Spin Excitations in CrI3, „Physical Review X” 2021, Vol. 11, No. 031047 [dostęp 11 IX 2021].
  4. Por. T.S. Choy, J. Chen, S. Hershfield, Correlation Between Spin Polarization and Magnetic Moment in Ferromagnetic Alloys, „Journal of Applied Physics” 1999, Vol. 86, No. 1, s. 562–564.
  5. Por. A. Hirohata et al., Review on Spintronics: Principles and Device Applications, „Journal of Magnetism and Magnetic Materials” 2020, Vol. 509, No. 166711 [dostęp 11 IX 2021]; B. Dieny, Opportunities and Challenges for Spintronics in the Microelectronics Industry, „Nature Electronics” 2020, Vol. 3, s. 446–459.
  6. Por. W.A. Borders et al., Analogue Spin–Orbit Torque Device for Artificial–Neural–Network–Based Associative Memory Operation, „Applied Physics Express” 2016, Vol. 10, No. 1, 013007; R. Sagar, AI Hardware Gets A Fresh Boost With Spintronics, „Analytics in India” 2019 [dostęp 11 IX 2021].
  7. Por. G. Stech, Komputery kwantowe – przyszłość zaklęta w kubicie, „Computer World” 2019 [dostęp 11 IX 2021]; D. Matthews, How to Get Started in Quantum Computing, „Nature” 2021, Vol. 591, s. 166–167 [dostęp 11 IX 2021].
  8. Por. G. Sanjuanbenito et al., Spintronika grafenowa rozwiązaniem dla molekularnych urządzeń elektronicznych, „Cordis Europa” 2013 [dostęp 11 IX 2021]; E. Coronado, Molecular Magnetism: From Chemical Design to Spin Control in Molecules, Materials and Devices, „Nature Reviews Materials” 2020, Vol. 5, s. 87–104.
  9. Por. H. Li, S. Ruan, Y.J. Zeng, Intrinsic Van Der Waals Magnetic Materials From Bulk to the 2D Limit: New Frontiers of Spintronics, „Advanced Materials” 2019, Vol. 31, No. 27, 1900065 [dostęp 11 IX 2021]; Y. Khan et al., Recent Breakthroughs in Two–Dimensional van der Waals Magnetic Materials and Emerging Applications, „NanoToday” 2020, Vol. 34, No. 100902 [dostęp 11 IX 2021].
  10. Ferromagnetyzm to zjawisko, kiedy materia wykazuje własne spontaniczne namagnesowanie, za które odpowiada równoległe ustawienie linii pola magnetycznego zaś antyferromagnetyzm to zjawisko, w którym uporządkowanie to jest antyrównoległe.
  11. Por. K.S. Burch, D. Mandrus, J.G. Park, Magnetism in Two–Dimensional van der Waals Materials, „Nature” 2018, Vol. 563, No. 7729, s. 47–52 [dostęp 11 IX 2021]; P. Jiang et al., Spin Direction–Controlled Electronic Band Structure in Two–Dimensional Ferromagnetic CrI3, „Nano Letters” 2018, Vol. 18, No. 6, s. 3844–3849 [dostęp 11 IX 2021].
  12. Por. E. Lee–Wong et al., Nanoscale Detection of Magnon Excitations with Variable Wavevectors Through a Quantum Spin Sensor, „Nano Letters” 2020, Vol. 20. No. 5, s. 3284–3290 [dostęp 11 IX 2021]; T.X. Zhou et al. A Magnon Scattering Platform, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 2021, Vol. 118, No. 25, e2019473118 [dostęp 11 IX 2021].
  13. Por. I.A. Golovchanskiy et al., Ultrastrong Photon–to–Magnon Coupling in Multilayered Heterostructures Involving Superconducting Coherence Via Ferromagnetic Layers, „Science Advances” 2021, Vol. 7, No. 25 [dostęp 11 IX 2021].
  14. Por. Chen et al., Magnetic Field Effect.

Literatura:

  1. Bagrowski B., Metale ziem rzadkich a elektrochemiczne wynalazki inżynieryjne – czyli o zwiększeniu efektywności ogniw paliwowych typu PEMFC, „W Poszukiwaniu Projektu” 29.08.2021 [dostęp 11 IX 2021].
  2. Bagrowski B., Nowa technika mikroskopowa – szansa dla rozwoju nauki, „W Poszukiwaniu Projektu” 13.06.2021 [dostęp 11 IX 2021].
  3. Barnaś J., Spin w elektronice, „Postępy Fizyki” 2002, t. 53D, s. 78–84 [dostęp 11 IX 2021].
  4. Borders W.A. et al., Analogue Spin–Orbit Torque Device for Artificial–Neural–Network–Based Associative Memory Operation, „Applied Physics Express” 2016, Vol. 10, No. 1, 013007.
  5. Burch K.S., Mandrus D., Park J.G., Magnetism in Two–Dimensional van der Waals Materials, „Nature” 2018, Vol. 563, No. 7729, s. 47–52 [dostęp 11 IX 2021].
  6. Chen et al., Magnetic Field Effect on Topological Spin Excitations in CrI3, „Physical Review X” 2021, Vol. 11, No. 031047 [dostęp 11 IX 2021].
  7. Choy T.S., Chen J., Hershfield S., Correlation Between Spin Polarization and Magnetic Moment in Ferromagnetic Alloys, „Journal of Applied Physics” 1999, Vol. 86, No. 1, s. 562–564.
  8. Coronado E., Molecular Magnetism: From Chemical Design to Spin Control in Molecules, Materials and Devices, „Nature Reviews Materials” 2020, Vol. 5, s. 87–104.
  9. Dieny B., Opportunities and Challenges for Spintronics in the Microelectronics Industry, „Nature Electronics” 2020, Vol. 3, s. 446–459.
  10. Golovchanskiy I.A. et al., Ultrastrong Photon–to–Magnon Coupling in Multilayered Heterostructures Involving Superconducting Coherence Via Ferromagnetic Layers, „Science Advances” 2021, Vol. 7, No. 25 [dostęp 11 IX 2021].
  11. Hirohata A. et al., Review on Spintronics: Principles and Device Applications, „Journal of Magnetism and Magnetic Materials” 2020, Vol. 509, No. 166711 [dostęp 11 IX 2021].
  12. Jiang P. et al., Spin Direction–Controlled Electronic Band Structure in Two–Dimensional Ferromagnetic CrI3, „Nano Letters” 2018, Vol. 18, No. 6, s. 3844–3849 [dostęp 11 IX 2021].
  13. Khan Y. et al., Recent Breakthroughs in Two–Dimensional van der Waals Magnetic Materials and Emerging Applications, „NanoToday” 2020, Vol. 34, No. 100902 [dostęp 11 IX 2021].
  14. Lee–Wong E. et al., Nanoscale Detection of Magnon Excitations with Variable Wavevectors Through a Quantum Spin Sensor, „Nano Letters” 2020, Vol. 20. No. 5, s. 3284–3290 [dostęp 11 IX 2021].
  15. Li H., Ruan S., Zeng Y.J., Intrinsic Van Der Waals Magnetic Materials From Bulk to the 2D Limit: New Frontiers of Spintronics, „Advanced Materials” 2019, Vol. 31, No. 27, 1900065 [dostęp 11 IX 2021].
  16. Matthews D., How to Get Started in Quantum Computing, „Nature” 2021, Vol. 591, s. 166–167 [dostęp 11 IX 2021].
  17. Sagar R., AI Hardware Gets A Fresh Boost With Spintronics, „Analytics in India” 2019 [dostęp 11 IX 2021].
  18. Sanjuanbenito G. et al., Spintronika grafenowa rozwiązaniem dla molekularnych urządzeń elektronicznych, „Cordis Europa” 2013 [dostęp 11 IX 2021].
  19. Stech G., Komputery kwantowe – przyszłość zaklęta w kubicie, „Computer World” 2019 [dostęp 11 IX 2021].
  20. Xiao G. et al., What is Spintronics (Magnetoelectronics, Spin Electronics, or Spin–based Electronics)?, „Nanoscale Physics and Devices at Brown University” [dostęp 11 IX 2021].
  21. Zhou T.X. et al. A Magnon Scattering Platform, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 2021, Vol. 118, No. 25, e2019473118 [dostęp 11 IX 2021].

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi