Nel 1991, Il chimico dell'Università dello Utah Joel Miller ha sviluppato il primo magnete con o organico, componenti che erano stabili a temperatura ambiente. Fu un grande progresso nel magnetismo, e da allora ha esplorato le applicazioni.

Venticinque anni dopo, i fisici Christoph Boehme e Valy Vardeny hanno dimostrato un metodo per convertire le onde quantistiche in corrente elettrica. anche loro, sapevano di aver scoperto qualcosa di importante, ma non ne conoscevo l'applicazione.

Ora queste tecnologie si sono unite e potrebbero essere il primo passo verso una nuova generazione di dispositivi più veloci, elettronica più efficiente e flessibile.

Lavorare insieme, Mugnaio, Boehme, Vardeny e i loro colleghi hanno dimostrato che un magnete a base organica può trasportare onde di magnetizzazione meccanica quantistica, chiamati magnon, e convertire quelle onde in segnali elettrici. È una svolta per il campo della magnonica (sistemi elettronici che utilizzano magnoni invece di elettroni) perché i magnoni erano stati precedentemente inviati attraverso materiali inorganici più difficili da maneggiare.

"Andando a questi materiali organici, abbiamo l'opportunità di spingere la magnonica in un'area che è più controllabile dei materiali inorganici, " dice Miller. I loro risultati sono pubblicati oggi in Materiali della natura.

Come funziona la magnonica

Prima di procedere, parliamo di cos'è un magnon e di come può essere utilizzato in elettronica. L'elettronica attuale usa gli elettroni per trasportare le informazioni lungo i fili. Magnons può anche condurre informazioni attraverso materiali, ma invece di essere composto di elettroni, I magnon sono onde composte da una proprietà quantistica chiamata spin.

Immagina uno stadio di calcio, pieno zeppo di tifosi entusiasti che alzano le braccia per tifare la loro squadra. Diciamo che la direzione in cui puntano le loro braccia è il loro orientamento di rotazione. Se ogni fan tiene le braccia alzate in aria contemporaneamente, quindi l'orientamento del giro di tutti è lo stesso e hanno fatto, in sostanza, un magnete.

Ora la folla inizia "The Wave, " tranne che in piedi e seduti, una fila di fan inclina le braccia a destra. La corsia successiva riprende questo cambio di rotazione e lo passa alla riga successiva. In poco tempo, questo magnete ha un'onda basata sullo spin che scorre intorno allo stadio.

La versione quantistica dell'onda basata sullo spin è un magnon.

"Ora hai un modo per trasmettere informazioni in un materiale, ", afferma il professore di fisica e coautore di articoli Boehme. "Si può pensare alla magnonica come all'elettronica. Hai dei circuiti e quando riesci a costruire la logica digitale da questo, puoi anche costruire computer."

Bene, non ancora. Sebbene i magnon siano noti alla scienza da decenni, solo di recente è stato realizzato il loro potenziale per l'elettronica di costruzione.

Attualmente, la maggior parte dei ricercatori di magnonica utilizza il granato di ferro ittrio (YIG) come materiale portante delle onde. È costoso e difficile da produrre, soprattutto come un film sottile o un filo. Boehme dice che una volta aveva preso in considerazione l'idea di incorporare YIG in uno dei suoi strumenti e ha dovuto rinunciare perché il materiale si è rivelato così problematico per gestire quella particolare applicazione.

Assemblare la squadra

Boehme e Vardeny, illustre professore di fisica, studiare anche il campo delle alternative all'elettronica chiamata spintronica, di cui la magnonica è un sottocampo. Nel 2016 hanno mostrato come osservare direttamente l'"effetto Hall di spin inverso, "Un modo per convertire le onde di spin in corrente elettrica.

Hanno iniziato a lavorare insieme a Miller attraverso un Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) finanziato dalla National Science Foundation presso l'Università dello Utah. Nel 1991, Miller aveva prodotto il primo materiale magnetico utilizzando organico, o a base di carbonio, componenti. I tre hanno deciso di testare il magnete organico di Miller per vedere se poteva essere utilizzato come alternativa a YIG nei materiali magnonici. Hanno testato la risonanza di spin elettronico (ESR), una misura della durata dei magnon nel materiale. Più stretta è la linea ESR, più longevi sono i magnon.

La linea era davvero molto stretta, dice Vardeny. "È un disco linea stretta."

Ma lavorando con il magnete a base organica, noto come tetracianoetilene di vanadio o V(TCNE) _X , presentava ancora alcune sfide. Il materiale è altamente sensibile all'ossigeno, simile ai magneti delle terre rare. "Se è appena fatto, probabilmente prenderà fuoco, " Dice Miller. "Perderà il suo magnetismo." Il team aveva bisogno di gestire i film sottili di V(TCNE) _X in condizioni di basso livello di ossigeno.

La conduzione di esperimenti richiedeva un concerto di attività, con i membri del gruppo di ricerca ciascuno al posto giusto al momento giusto per portare avanti la fase successiva dell'esperimento.

"Conta il numero di autori sulla carta, " dice Boehme. (Sono 14.) "Ogni volta che facevamo un esperimento, tutti dovevano stare lì ed essere pronti in tempo per partecipare a questo processo." È iniziato con uno degli studenti di Miller che è arrivato alle 4 del mattino per preparare un materiale precursore ed è continuato per due o tre giorni ininterrottamente mentre i team di ricerca passavano il testimone del materiale e dati.

Non tutte le corse sperimentali hanno avuto successo. All'inizio, il team ha appreso che il connettore di rame che stavano usando per convertire i magnon in elettricità usando l'effetto Hall di spin inverso stava reagendo con il V(TCNE) _X e quindi non funzionerebbe. Il passaggio ai contatti in platino nella corsa successiva è andato a buon fine.

Risultati promettenti

Alla fine, il team ha riferito di essere in grado di generare magnon stabili in magneti organici e convertire quelle onde di spin in segnali elettrici, un importante trampolino di lancio. La stabilità dei magnon nel V(TCNE) _X era buono come quello in YIG.

I ricercatori sperano che questo progresso porti a maggiori progressi verso la magnonica che sostituisce l'elettronica, poiché i sistemi magnonici potrebbero essere più piccoli e più veloci degli attuali sistemi con minori perdite di calore e molta meno energia richiesta. L'elettronica convenzionale funziona su una scala di volt, dice Boehme. I Magnon operano su una scala di millivolt, contenente circa 1, 000 volte meno energia.

Il team spera di lavorare verso circuiti magnonici usando V(TCNE) _X , e testare anche altri materiali. "Ci sono molti magneti a base organica, " Dice Boehme. "Non c'è motivo di credere che se ne scegli uno a caso, è necessariamente il migliore."

è ancora da vedere, anche se, ciò che la promessa della magnonica potrebbe portare oltre più velocemente, elettronica più piccola ed efficiente. "Non possiamo anticipare, " dice Miller, "ciò che non possiamo anticipare."