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

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

Literatura: