Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Jeszcze szybsze procesory, o jeszcze mniejszych rozmiarach? Tam, gdzie z wydajnością i miniaturyzacją nie poradzą sobie ani elektronika, ani spintronika, na ratunek przyjdzie magnonika. Lecz zanim to się stanie, naukowcy muszą się nauczyć, jak dokładnie symulować przepływy fal magnetycznych przez kryształy magnoniczne. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykonano ważny krok w tym kierunku.

Można się kłócić, czy liczba dziur w serze ma związek z jego jakością czy nie. Fizycy zajmujący się materiałami magnonicznymi nie mają takich dylematów: im więcej dziur w materiale, tym jego właściwości magnetyczne stają się ciekawsze, ale i radykalnie trudniejsze do opisania i modelowania. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Scientific Reports grupa fizyków doświadczalnych i teoretycznych z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie zaprezentowała nowy, doświadczalnie zweryfikowany model, który po raz pierwszy pozwala z dużą dokładnością symulować lokalne zmiany właściwości magnetycznych kryształów magnonicznych. Pod tą egzotyczną nazwą kryją się cienkie, wielowarstwowe struktury metaliczne zawierające regularną siatkę mniejszych lub większych, mniej lub bardziej stykających się ze sobą okrągłych dziur. Krakowskie analizy sugerują ponadto, że zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach magnonicznych są bardziej złożone niż dotychczas przewidywano.

Wielowarstwowe struktury metaliczne o regularnej siatce okrągłych dziur są badane od niedawna – i nie bez problemów. Rzecz w tym, że owa sieć dziur w dramatyczny sposób zmienia właściwości magnetyczne układu, zwłaszcza sposób, w jaki propagują się w nim fale magnetyczne. Zjawiska stają się tak skomplikowane, że dotychczas nikt nie potrafił ich dobrze opisać i symulować - mówi dr inż. Michał Krupiński (IFJ PAN).

Elektronika to przetwarzanie informacji za pomocą ładunków elektrycznych elektronów przepływających przez układ. Spintronika, typowana na następczynię elektroniki, również korzysta ze strumieni elektronów, zwraca jednak uwagę nie na ich ładunek elektryczny, lecz na spin (innymi słowy: na właściwości magnetyczne). Na tle obu tych dziedzin magnonika wyróżnia się w sposób zasadniczy. W urządzeniach magnonicznych nie ma żadnych zorganizowanych przepływów nośników. Tym, co przepływa przez układ, są bowiem fale magnetyczne.

Różnice między wspomnianymi dziedzinami łatwiej zrozumieć dzięki analogii ze światem sportu. Gdy stadion zapełnia się lub opróżnia, w jego obrębie płyną strumienie ludzi. Gdyby działała tu elektronika, zwracałaby uwagę na liczbę ludzi wchodzących lub wychodzących ze stadionu. Spintronika także przyglądałaby się przepływom ludzi, ale interesowałyby ją ruchy osób o włosach ciemnych bądź jasnych. W tej analogii magnonika zajmowałaby się przepływem... meksykańskich fal. Takie fale potrafią okrążyć cały stadion mimo faktu, że żaden kibic nie oddala się od swojego fotela.

Swoje kryształy magnoniczne fizycy z Krakowa wytwarzali z użyciem metody wynalezionej przez prof. Michaela Giersiga z Freie Universität Berlin, a rozwiniętej w IFJ PAN przez dr. Krupińskiego. Pierwszy krok polega tu na naniesieniu nanocząstek z polistyrenu na niemagnetyczne podłoże (np. krzem). Kulki samoczynnie się porządkują, przy czym w zależności od warunków mogą to robić w różny sposób. Podłoże pokryte uporządkowanymi kulkami zostaje następnie poddane w komorze próżniowej działaniu plazmy, co pozwala w kontrolowany sposób zmniejszać średnicę kulek. Na tak przygotowaną próbkę nanosi się cienkie warstwy odpowiednich metali, jedna po drugiej. Po naniesieniu wszystkich warstw materiał przemywa się rozpuszczalnikami organicznymi w celu usunięcia kulek. Efektem końcowym jest periodyczna struktura przypominająca mniej lub bardziej gęste sito, trwale przyklejone do krzemowego podłoża (potencjalnie nie musi być ono sztywne, grupa z IFJ PAN potrafi wytwarzać również podobne struktury np. na podłożach z elastycznych polimerów).

Badane przez nas układy składały się z 20 naprzemiennie ułożonych warstw kobaltu i palladu. Są to struktury bardzo cienkie. Ich grubość wynosi zaledwie 12 nanometrów, co odpowiada mniej więcej 120 atomom - informuje dr Krupiński.

W zależności od rozmiarów dziur, między miejscami ich styku tworzą się większe lub mniejsze obszary o kształtach zbliżonych do trójkąta. Atomy w obrębie tych obszarów można magnesować w ten sam sposób, tworząc tzw. bąble magnetyczne. Bąble mogą służyć do przechowywania informacji, a zmiany ich namagnesowania pozwalają na propagowanie się fal magnetycznych w układzie.

Model teoretyczny, zbudowany w IFJ PAN pod kierunkiem dr. inż. Pawła Sobieszczyka, opisuje zjawiska magnetyczne zachodzące w kryształach o wielkości dwa na dwa mikrometry. W skali mikroświata rozmiary te są ogromne: liczba atomów jest tak duża, że symulowanie zachowań pojedynczych atomów przestaje być możliwe. Jednak z uwagi na wzajemne oddziaływanie magnetyczne, momenty magnetyczne sąsiednich atomów zwykle są zorientowane w prawie tym samym kierunku. Spostrzeżenie to pozwoliło pogrupować atomy w małe objętości (woksele), które można było traktować jak pojedyncze obiekty. Zabieg ten radykalnie obniżył złożoność obliczeniową modelu i umożliwił przeprowadzenie symulacji numerycznych, które zrealizowano w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet AGH w Krakowie.

Kluczem do sukcesu okazał się pomysł uwzględnienia w modelu niedoskonałości spotykanych w rzeczywistych kryształach magnonicznych - mówi dr Sobieszczyk i wylicza: Przede wszystkim rzeczywiste struktury nigdy nie są idealnymi kryształami. Zwykle to zlepki wielu kryształków zwanych krystalitami. W zależności od rozmiarów i kształtu, krystality mogą mieć różne właściwości magnetyczne. Co więcej, w układzie mogą się pojawić zanieczyszczenia chemiczne. Powodują one, że pewne obszary materiału tracą właściwości magnetyczne. Wreszcie, poszczególne warstwy metaliczne mogą być miejscami cieńsze, miejscami grubsze. Nasz model działa tak precyzyjnie, ponieważ uwzględnia wszystkie te efekty.

Zaprezentowany model przewiduje istnienie ciekawego, dotychczas nieobserwowanego zjawiska. Gdy dwa sąsiednie bąble są namagnesowane przeciwnie, momenty magnetyczne atomów między nimi mogą zmieniać swoją orientację albo obracając się równolegle do płaszczyzny warstwy, albo prostopadle. Między bąblami tworzy się wówczas coś w rodzaju ścian, w pierwszym przypadku nazywanych ścianami Blocha, w drugim – ścianami Néela. Dotychczas zakładano, że w danym krysztale magnonicznym mogą występować tylko ściany jednego rodzaju. Model opracowany przez fizyków z IFJ PAN sugeruje, że w tym samym krysztale możliwe jest występowanie ścian magnetycznych obu rodzajów.

Magnonika dopiero raczkuje. Droga do złożonych procesorów – mniejszych, szybszych, na dodatek o strukturze logicznej, którą można byłoby przeprogramowywać zależnie od potrzeb – jest jeszcze daleka. Pamięci magnoniczne i nowatorskie czujniki, zdolne wykrywać niewielkie ilości substancji, wydają się bardziej realne. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za własności magnetyczne kryształów magnonicznych i sposoby przepływu fal magnetycznych przybliża nas ku tego typu urządzeniom. To ważny krok, po którym z pewnością przyjdą następne.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Bardzo to ciekawe. Swoją drogą fale elektromagnetyczne to przez dualizm korpuskularno-falowy również strumień fotonów, więc można by chyba powiedzieć że magnonika to przetwarzanie informacji za pomocą fotonów, a elektornika i spintronika - elektronów. Choć rozumiem, że opis falowy jest tutaj bardziej użyteczny. 

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 25.11.2019 o 10:10, Warai Otoko napisał:

można by chyba powiedzieć że magnonika to przetwarzanie informacji za pomocą fotonów

Powiedzieć by można. ale to by była psińcoprawda ;) Zajrzyj tu:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Magnon
 

6 godzin temu, Jurek55 napisał:

co jest źródłem "namagnesowania" ciał stałych

Skrajnie minimalistycznie: potraktuj elektrony jako mikromagnesy. El. mają wewnętrzny moment magnetyczny związany z ich spinem (raczej nie pytaj co to jest ten "spin":D). W odpowiednich warunkach (np. jak w ferromagnetykach) działając zewnętrznym polem magnetycznym można momenty magnetyczne części elektronów-mikromagnesów ustawić w tym samym kierunku. No i tyle, mamy magnes. Reszta to grube księgi pełne paskudnych robali ;)

Edited by ex nihilo

Share this post


Link to post
Share on other sites
4 godziny temu, ex nihilo napisał:

Powiedzieć by można. ale to by była psińcoprawda ;) Zajrzyj tu:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Magnon

Dzięki :P ciekawe, słyszałem o fononach ale nie wiedziałem że sa inne kwazicząstki etc. Temat mi się rozjaśnił nieco. Rozumiem, że jest to czysto abstrakcyjny twór, choć zachowuje się jak bozony, natomiast jesli mamy 4 siły podstawowe to jestem ciekaw co jest w takim razie mediatorem oddziaływań w propagacji fal spinowych? Wydaje się że jednak foton... Byłby to zatem pewnego rodzaju metaopsi / metamodel oddziaływań elektromagnetycznych. Chyba :P

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 11.12.2019 o 09:33, Warai Otoko napisał:

ale nie wiedziałem że sa inne kwazicząstki etc.

A jest tego cała banda i pewnie nowe jakieś się jeszcze pojawią.
 

W dniu 11.12.2019 o 09:33, Warai Otoko napisał:

Rozumiem, że jest to czysto abstrakcyjny twór,

Nie bardziej niż te klasyczne (MS) - jeśli pominiemy modele "kulkowe" elektronów & co. Taką podstawową różnicą jest to, że kwazi nie mogą istnieć w próżni, jako cząstki swobodne, ale to i niektórych klasycznych dotyczy (np. kwarki). W niektórych przypadkach (np. szczególne stany elektronów w CS) można się spierać, czy jest to cząstka klasyczna, kwazi, czy może klasyczna w konfiguracji kwazi :D
Zresztą samo pojęcie "cząstka"... Co to jest ta "cząstka", mniej czy bardziej elementarna. Jeśli przyjmiemy, że w ogóle cząstki to stany/konfiguracje/wzbudzenia pola/pól, to nie ma jakiejś zasadniczej różnicy między klasycznymi a kwazi (poza tą próżnią).
Temat jest zresztą ciekawy i pewnie dużo w tym jeszcze będzie się działo.
 

W dniu 11.12.2019 o 09:33, Warai Otoko napisał:

co jest w takim razie mediatorem oddziaływań w propagacji fal spinowych?

Magnony.

Edited by ex nihilo

Share this post


Link to post
Share on other sites
21 godzin temu, ex nihilo napisał:

Magnony.

No ale zaraz, czegoś tu nie rozumiem :P Magnony chyba nie wyskakują w akceleratorach, więc są chyba bardziej abstrakcyjne niż te z MS... Poza tym, magnon do istnienia potrzebuje ośrodka i pytanie jaką siłą oddziałuje na otoczenie? Elektromagnetyczną? Jeśli tak, to mediatorem jest jednak ostatecznie foton... 

Edited by wilk
Nie ma potrzeby cytować całości. My już czytaliśmy tamtą wypowiedź.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 godziny temu, Warai Otoko napisał:

Magnony chyba nie wyskakują w akceleratorach, więc są chyba bardziej abstrakcyjne niż te z MS...

Z akceleratorów wyskakują też fanty, które być może tylko z akceleratorów wyskakują i z niczego innego. A kwarki wyskakiwać nie chcą.
No i wracamy do pojęcia "cząstka". W tym momencie sprawa nierozwiązywalna. Najlepiej chyba traktować to pojęcie jako czysto umowne określenie tak lub inaczej definiowanego stanu/konfiguracji/wzbudzenia pola/pól (liczby kwantowe itd.). To bardzo upraszcza sprawę, likwiduje zbędne wyobrażenia.
 

2 godziny temu, Warai Otoko napisał:

Poza tym, magnon do istnienia potrzebuje ośrodka i pytanie jaką siłą oddziałuje na otoczenie?

Elektron z zerowym (pomijam nieoznaczoność) pędem też potrzebuje ośrodka - bez tego natentychmiast po całej próżni się rozlezie. A kwark bez ośrodka w ogóle nie ma zamiaru istnieć.

Co do siły - składowa magnetyczna pola EM, podobnie jak np. w przypadku spinów sparowanych elektronów. Czy fotony (wirtualne) mają tu coś do roboty? Trzeba by zajrzeć do QFT.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Proste ćwiczenia nóg mogą zmniejszyć wpływ siedzącego trybu życia na serce i naczynia krwionośne.
      Wcześniejsze badania pokazały, że przedłużone siedzenie do 6 godzin powoduje spadek dopływu krwi do kończyn oraz zdolności większych naczyń do rozszerzania się w ramach przystosowywania do zwiększonego przepływu krwi.
      Badanie, którego wyniki ukazały się w piśmie Experimental Physiology, jako pierwsze wykazało, że wystarczy 10 min siedzenia, by zredukować dopływ krwi do nóg i by upośledzić działanie drobnych naczyń zaopatrujących mięśnie nóg.
      Oprócz tego zespół Jennifer R. Vranish z Wydziału Kinezjologii Uniwersytetu Teksańskiego w Arlington zauważył, że drobne naczynia działają gorzej także w czasie leżenia.
      Studium pokazuje, że pogorszeniu funkcji można jednak przeciwdziałać, wykonując podczas leżenia w łóżku czy na kanapie proste ćwiczenia.
      Podczas testów wykonywano ultrasonografię dopplerowską m.in. tętnicy podkolanowej 18 młodych zdrowych mężczyzn; przekrwienie reaktywne oraz rozszerzalność tętnicy pod wpływem zwiększonego przepływu oceniano przed i po 10 min siedzenia, a także w czasie leżenia, gdy wykonywano ćwiczenia nóg lub nie. Ćwiczenia polegały na wyciąganiu stopy w przód i w tył co 2 sekundy przez 1/3 czasu spędzonego na leżeniu.
      Okazało się, że 10-min siedzenie nie wpływało co prawda na funkcjonowanie makronaczyniowe, ale ograniczało zdolność szybkiego zwiększania dopływu krwi do podudzia za pośrednictwem drobnych naczyń. To sugeruje, że krótki okres nieaktywności wpływa na zdolność szybkiego dostarczenia krwi do podudzia, lecz nie oddziałuje na rozszerzalność tętnicy pod wpływem zwiększonego przepływu. Wyniki sugerują także, że ćwiczenia nóg mogą pomóc w zachowaniu szybkich wzrostów dopływu krwi do kończyn.
      Naukowcy podkreślają, że ich badania mają pewne ograniczenia. Przez to, że badano wyłącznie młodych zdrowych mężczyzn, wyników nie można rozszerzać na kobiety. Nie wiadomo także, jak te reakcje zmieniają się w zależności od wieku i u ludzi, którzy mają choroby sercowo-naczyniowe. Dalsze badania powinny również pokazać, jak siedzenie i brak aktywności oddziałują na inne części ciała (poza kolanem). Zespół chciałby się np. dowiedzieć, czy siedzenie oddziałuje na funkcje naczyń zaopatrujących mózg. Potrzeba też eksperymentów, które ocenią wpływ powtarzanych krótkich "rzutów" siedzenia.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...