Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet yhdessä saksalaistutkijoiden kanssa nanokokoisen, spinaaltoihin perustuvan laitteen, joka mahdollistaa entistä pienempien ja energiatehokkaampien tietokonesirujen ja -laitteiden toteuttamisen. Nanokokoinen spinaaltolaite voisi tehostaa esimerkiksi kuvankäsittelyä ja hahmontunnistusta.

Laskennassa käytetyn sähkövirran aiheuttama ylikuumeneminen hidastaa yhä nopeampien ja pienempien tietokonesirujen kehittämistä. Siihen tutkijat hakivat ratkaisua spintroniikasta, jossa selvitetään, miten spinejä voisi hyödyntää tiedon tallettamisessa, käsittelemisessä ja sen siirtämisessä.

Tutkijat halusivat käyttää spinaaltoja eli spinien kollektiivista värähtelyä magneettisissa materiaaleissa suorittaakseen laskelmia. Spin on hiukkasten, esimerkiksi elektronien, sähkövarausta vastaava ominaisuus, ja magneettisissa materiaaleissa spiniä voidaan kuljettaa aallon muodossa.

“Kun hyödynnämme spinaaltoja, sähkövaraus ei siirry, jolloin ei myöskään synny kuumenemista”, sanoo professori Sebastiaan van Dijken Aalto-yliopistosta.

Tutkimusta varten tutkijat rakensivat spinaalloille soveltuvan Fabry-Pérot -resonaattorin. Se on optiikasta tuttu työväline, jota tyypillisesti hyödynnetään tarkkuutta vaativaan valonsäteiden aallonpituuden hallitsemiseen. Tutkijoiden rakentama resonaattori on halkaisijaltaan vain muutama sata nanometriä ja mahdollistaa spinaaltojen hallinnan ja suodattamisen.

Resonaattori tehtiin kerrostamalla päällekkäin hyvin ohuita magneettisia materiaalikerroksia. Niiden tarkkaan valitut magneettiset ominaisuudet mahdollistivat spinaaltojen vangitsemisen ja kumoamisen, mikäli ne eivät olleet täsmälleen toivotulla taajuudella.

“Menettely on uusi, mutta helppo toteuttaa. Siinä yhdistetään ja kuvioidaan vähähäviöisiä magneettisia materiaaleja, joita voimme tehdä Aallossa. Ja koska näiden laitteiden valmistaminen ei ole kovin vaikeaa, meillä on paljon mahdollisuuksia jatkotutkimukselle”, sanoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Huajun Qin.

Nyt kun tutkijatiimi on rakentanut resonaattorin, jolla voi suodattaa ja hallita spinaaltoja, he aikovat seuraavaksi rakentaa kokonaisen piirin.

Kuumenemattomuuden lisäksi spinaalloilla on perinteiseen elektroniikkaan verrattuna muita vahvuuksia. Perinteinen, varaukseen perustuva laskenta hyödyntää totuusarvoista eli nolliin ja ykkösiin perustuvaa logiikkaa laskelmien tekemiseksi. Spinaalloilla informaatio siirtyy aallon voimakkuuden tai vaiheen mukana,

Tutkimus tehtiin yhteistyössä saksalaisen Martin Luther University Halle-Wittenberg -yliopiston tutkijoiden kanssa. Hanketta tukee Suomen Akatemia ja saksalainen tutkimussäätiö. Kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria käytettiin näytteiden valmistamiseen.

Lisää: Tutkimusartikkeli on julkaistu Nature Communications -lehdessä (LINKKI).

Kuva: Fabry-Pérot -resonaattorissa olevien spinaaltojen kuvaamiseen käytettiin magneto-optista mikroskooppia. Kuva: Aalto-yliopisto.