Spinwellen erreichen auf Z-förmigem Pfad Effizienzsteigerung um das Fünffache

Forscher der Tohoku-Universität, der Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) beteiligten sich an der Studie. „Das Biegen einer Spinwelle ohne Verlust zählt zu den schwierigsten Problemen in diesem Bereich", sagte Associate Professor Taichi Goto vom Forschungsinstitut für Elektrotechnik der Tohoku-Universität.

Indem das Problem auf den Kopf gestellt wurde – indem eine strukturierte Metallfolie auf den magnetischen Garnit aufgebracht wurde, statt den Garnit selbst zu schneiden – fanden wir einen Weg, Spinwellen mit sehr geringen Verlusten um scharfe Ecken zu lenken.

Dies eröffnet einen praktischen Ansatz für integrierte Spinwellenschaltungen, die eines Tages dazu beitragen könnten, dass Rechenzentren nur mit einem Bruchteil des heutigen Stroms betrieben werden.

Technik und Auswirkungen

Das Team zeigte, dass künstliche Intelligenz und Rechenzentren immer mehr Strom verbrauchen und die Wärme aus herkömmlicher Elektronik zu einem ernsthaften Problem geworden ist.

Spinwellen sind Magnetisierungsstörungen in einem magnetischen Material, die Informationen mit deutlich weniger Wärme als bewegte Elektronen übertragen können und daher vielversprechend für energieeffizientes Rechnen sind. Allerdings schwächen sich Spinwellen beim Ausbreiten schnell ab, insbesondere wenn ein Wellenleiter gebogen wird.

Dieser Signalverlust galt lange als größte Hürde für die Entwicklung praxistauglicher Spinwellen-Schaltungen, so die Forscher.

Das Team invertierte ein früheres Konzept,

Das Team invertierte ein früheres Konzept, das es 2024 entwickelt hatte: Statt Kupfer-Scheiben auf dem Garnet zu platzieren, legte es eine Kupferfolie mit einem hexagonalen Lochmuster an, wobei dünne Schlitzverbindungen benachbarte Löcher verbanden.

Dreidimensionale elektromagnetische Simulationen zeigten, dass diese neue Struktur einen „vollständigen magnonischen Bandlücke" erzeugt, der Spinwellen unabhängig ist der erste Bericht über einen vollständigen magnonischen Bandlücke in einem zweidimensionalen magnonischen Kristall auf Basis eines magnetischen Garnets.

Laut einer Pressemitteilung wurde bereits eine Patentanmeldung für die Kernwellenleiterstruktur eingereicht. Anschließend schuf das Team einen Z-förmigen Pfad durch den Kristall, indem es eine Reihe von Löchern entfernte und so einen „Linienfehler" bildete.

Obwohl die Spinwellen im konventionellen Wellenleiter-Ridge-Design

Obwohl die Spinwellen im konventionellen Wellenleiter-Ridge-Design das Ziel nicht erreichten, gelang dies mit der neuen Methode. Laut der Pressemitteilung übertrug der neue Wellenleiter Spinwellen fünfmal stärker als das konventionelle Design.

In der Studie stellten die Forscher fest, dass sie eine effiziente Übertragung (SW) durch Z-förmige Kurven mit einem Winkel von 120° mittels verlustarmer magnonischer Kristall- (MC) Wellenleiter errechneten, die aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) und einem Locharray aus Kupfer bestehen.

Die MCs wurden mit einer Finite-Integration-Technik optimiert und zeigten einen vollständigen magnonischen Bandlückenbereich mit einer Breite von 15,1 MHz bei einer Zentrfrequenz von 1,811 GHz.

Der MC-Wellenleiter ermöglichte eine um das 5,7 × 10³-fache stärkere Ausbreitung Ridge-Wellenleitern, indem er die Abschwächung der Spinwellen durch inhomogene interne Magnetfeldverteilungen in der YIG-Schicht vermied.