.jpg)
Fyzikům z brněnského CEITEC VUT se podařilo vyvinout unikátní metodu, díky které je možné měřit specifické vlastnosti kvantových entit nazvaných magnony. Detailní znalosti těchto kvazičástic by v budoucnosti mohly hrát velkou roli při designu výpočetních komponent, jako jsou například specializované čipy do počítačů či telefonů. Studii s výsledky několikaletého výzkumu nyní publikoval prestižní vědecký časopis Science Advances.
Vědci Jakub Krčma z Fakulty fyzikálního inženýrství VUT a Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT se zabývají úzkou oblastí fyziky, jíž se říká magnonika. Na rozdíl od standardní elektroniky, která při přenosu informace pracuje s elektrony, je tato vědní disciplína založena na spinových vlnách, jež se dají také popsat kvazičásticemi – magnony. „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, “ vysvětluje hned na začátek Ondřej Wojewoda, na Ústavu materiálových věd a inženýrství (DMSE) na americkém MIT, s tím, že magnon popisuje totéž, co spinová vlna, ale trochu jiným jazykem. Mnohdy je podle něj totiž pro popis jednodušší představit si, že se v látce pohybují balíčky energie jako částice, namísto vlnění. Ve své práci se tedy výzkumníci společně soustředili na problematiku měření těchto spinových vln v rozměrech, které jsou klíčové pro podobu budoucích výpočetních zařízení založených na magnonice.
Pro měření se totiž standardně používá takzvaná mikroskopie Brillouinova rozptylu světla (µBLS), kdy objektiv zaostří laser na velmi malé místo na vzorku a informace o materiálu se vyčítají ze změn světla po interakci s ním. Jenomže tato metoda funguje dobře jen pro pozorování vln s vlnovou délkou více než 300 nanometrů, což je více než patnáctkrát větší než velikost jednoho tranzistoru v moderním čipu. Vědci již dokážou s těmito délkami pracovat a mají fundovanou představu o tom, jak by takto navržená zařízení pracovala. „Tím pádem ale také vědí, že technologie založené na dlouhých vlnových délkách jsou příliš rozměrné a zároveň výpočetně pomalejší, než by potřebovali. Proto se chtěli zaměřit na kratší vlnové délky, avšak narazili na velký problém, “ doplňuje Jakub Krčma.
Touto optickou metodou totiž nelze kratší vlnové délky pozorovat a měřit z důvodu fyzikálních vlastností samotného světla. Technika µBLS spinové vlny kratší, než je polovina vlnové délky světla, zkrátka vůbec nevidí. Vědcům tak zůstala k dispozici pouze jediná, finančně i časově velmi náročná možnost: využít urychlovače částic zvané synchrotrony – obří kruhové stavby ve světových fyzikálně-vědeckých centrech. Jenomže ani tato metoda nedokáže zachytit vlnové délky kratší než 120 nm. Vznikla tak v podstatě experimentální šedá zóna, do níž se v běžných laboratorních podmínkách nedalo prakticky nijak nahlédnout. A právě tento zásadní problém, který se stal brzdou ve zkoumání spinových vln s kratší vlnovou délkou a úvahách o jejich potenciálním využití, dokázala vyřešit nová metoda nazvaná Mie BLS.
„Tento náš postup, který jsme popsali v časopise Science Advances, je převratný v tom, že navazuje na již existující optickou metodu a vylepšuje ji tak, že nyní můžeme pohodlně překonat experimentální mezeru se standardním laboratorním vybavením a dokážeme měřit vlnové délky, které jsme doposud pozorovat nemohli, “ říká dále Ondřej Wojewoda. Princip Mie BLS tkví v tom, že vědci pomocí nanokřemíkových rezonátorů, tedy proužků umístěných přímo na vzorku, donutili světlo, aby se chovalo jinak než obvykle. Tyto nanostruktury díky Mieho rezonanci, pojmenované po německém fyzikovi Gustavu Mieovi, totiž dokážou příchozí světlo zaostřit a zesílit tak, že již není omezené svou vlnovou délkou. „Využíváme je tedy jako prostředníka mezi světlem a krátkou spinovou vlnou, který umožňuje, aby se mohly vzájemně ovlivnit, a zároveň aby se výsledek této interakce dostal k detektoru, kde jej můžeme změřit.“
Podle obou vědců je tento nově objevený krátkovlnný prostor naprosto zásadní pro další rozvoj oboru magnoniky a architektury magnonických čipů. Zařízení přenášející informace za pomoci spinových vln se totiž nezahřívají, takže nepotřebují chlazení. V důsledku těchto vlastností jsou energeticky mnohem méně náročná, nejnovější výzkumy hovoří až o dvacetinásobné úspoře energie oproti konvenční elektronice. Českými fyziky vyvinutá technika také umožní navrhovat a prototypovat součástky v rozměrech desítek až stovek nanometrů, čímž je možné překročit rozměrové limity stávajících výpočetních technologií. Objev je navíc nesmírně podstatný i pro výzkum dalších aplikací metody Brillouinova rozptylu světla. „Díky Mie BLS bude možné detailněji sledovat vlastnosti materiálů na nanoskopické úrovni, dále pozorovat změny biologických vzorků na dosud nepozorovatelných škálách anebo zkvalitnit diagnostiku nanotrhlin materiálů, což může být klíčové například při vývoji pro aerospace segment, “ uzavírá Jakub Krčma.