Forskere har fundet et opsigtsvækkende alternativ til computerchips

Nutidens computerchips bygger på elektroner, der løber gennem bittesmå ledere. Hver gang strømmen møder modstand, stiger temperaturen. 

Udviklere presser stadig flere transistorer sammen på den samme flade, og grænsen for, hvor meget varme et moderne kredsløb kan håndtere, kommer tættere på. 

Hastigheden i mange processorer afhænger derfor ikke kun af arkitektur, men også af, hvor hurtigt varme kan ledes væk.

Forskere verden over forsøger at finde nye måder at flytte information på. Målet er den samme regnekraft eller mere, men med mindre energiforbrug og mindre varme. 

En af de mest lovende retninger handler ikke om at flytte selve elektronerne. I stedet undersøger forskere, hvordan magnetiske bølger kan bære data gennem særlige materialer.

I magnetiske materialer kan elektronernes spin stå ordnet i mønstre. Når en lille del af systemet forstyrres, breder ændringen sig som en bølge. 

Den bølge kaldes en magnon, og den kan beskrives som en form for magnetisk vibration, der kan transportere information gennem materialet uden den samme varmeudvikling som klassisk strøm.

Magnoner kan skabe elektriske signaler

Forskerholdet fra University of Delaware har undersøgt, hvad der sker, når magnoner bevæger sig gennem antiferromagnetiske materialer. 

I sådanne materialer peger nabospin i modsat retning, og det giver mulighed for magnonbølger med meget høje frekvenser. 

I teorien kan signalerne nå op i terahertz-området, som ligger langt over det, almindelige elektroniske kredsløb typisk arbejder i.

Det nye er ikke kun hastigheden. Holdet har vist, at magnoner kan skabe en målbar elektrisk spænding i materialet. 

Når én ende af materialet er varmere end den anden, strømmer magnonerne mod den kolde ende. 

Samtidig opstår der en elektrisk polarisering, som forskerne ifølge mediet CDR beskriver som en magnonisk Nernst-reaktion.

Effekten hænger sammen med magnons orbitale moment. Bølgen bevæger sig på en måde, der kan sammenlignes med en rotation gennem gitteret af atomer. 

Den bevægelse ændrer ladningsfordelingen i materialet og fører til et lille, men målbart elektrisk signal. 

Dermed får forskere et redskab til både at opdage og påvirke magnonstrømme ved hjælp af elektriske felter.

De mulige byggesten i fremtidens chips

Resultatet findes indtil videre på papiret. Forskerne arbejder på eksperimenter, der skal vise, om modellen holder i praksis. 

Næste skridt bliver at teste, om magnoner kan styres med lys, der selv har et orbitalt moment. 

Lysimpulser kan i givet fald give en ekstra kontrolknap til at tænde og slukke magnetiske signaler i ultrakorte tidsrum.

Lykkes det at påvise og styre den magnoniske Nernst-reaktion i laboratoriet, kan de magnetiske bølger udvikle sig til et alternativ til dele af det nuværende ledningsnet i chips. 

De nuværende metalforbindelser bruger energi og udvikler varme. Magnetiske kanaler kan i stedet føre signaler med langt mindre energitab.

Perspektivet er chips, hvor elektriske kredsløb arbejder side om side med magnoniske elementer. 

Den slags hybridelektronik kan udnytte kiselens modenhed og samtidig udvide grænsen for, hvor hurtigt og energieffektivt data kan flyttes. 

Det nye teoretiske arbejde giver ikke færdige produkter, men det skubber grænsen for, hvordan vi kan tænke informationsstrømme ind i fremtidens computerchips.