Klasické počítačové čipy fungují díky proudění elektronů - a to má své limity. Elektrony narážejí na odpor, zahřívají se, a jakmile se snažíme procesory zrychlovat, narazíme na fyzikální strop. Proto vědci po celém světě hledají způsoby, jak přenášet informaci jinak, rychleji a s minimálními ztrátami. Jedna z nejzajímavějších cest vede přes magnony - vlnění, které se šíří v magnetických materiálech.

A právě zde přichází nový objev výzkumníků z University of Delaware. Zjistili, že magnony dokážou vytvářet elektrické signály. Pokud se tento jev podaří ovládnout, mohl by se stát klíčovým stavebním prvkem čipů příští generace.

Co jsou magnony a proč jsou tak zajímavé

Elektrony mají kromě náboje ještě jednu vlastnost - tzv. spin. V některých materiálech jsou jejich spiny uspořádané a mohou se chovat jako propojené pružinky. Když se jeden spin vychýlí, začne se tato „vlna“ šířit dál. A právě tato vlna se nazývá magnon.

Na rozdíl od klasického proudu, který je spojený s pohybem elektrických částic, magnony přenášejí informaci změnou orientace spinů. Nedochází tak k přímému zahřívání materiálu. Zjednodušeně: magnony umí nést data rychleji a úsporněji.

Zajímavé je, že v antiferomagnetických materiálech - kde se spiny střídají v opačných směrech - mohou magnony cestovat s frekvencí až v terahertzovém rozsahu. To je až tisíckrát víc než u běžných feromagnetů. Problém byl vždy jediný: jak je vůbec detekovat a řídit.

Objev, který nikdo nečekal: magnony vytvářejí napětí

Výzkumný tým CHARM centru provedl rozsáhlé simulace a narazil na překvapivý efekt. Když se magnony pohybují materiálem – například když je jedna část zahřátá víc než druhá - vzniká v něm elektrická polarizace. Jinými slovy: materiál začne vytvářet měřitelný elektrický signál.

Zdroj: Shutterstock

To je zásadní zlom. Umožňuje to nejen detekovat magnony, ale i ovládat jejich směr a chování pomocí elektrických polí nebo světla. Najednou se otevírá možnost, že místo klasických měděných vodičů povedou informaci „magnetické kanály“, které jsou rychlejší, chladnější a energeticky zanedbatelné.

Jak to funguje?

Klíčovou roli hraje tzv. orbitální moment magnony - tedy způsob, jakým se vlna v materiálu „otáčí“. Tento točivý pohyb interaguje s atomy v mřížce a vytváří elektrickou polarizaci. Pokud je jeden konec materiálu zahřátý, magnony se začnou přelévat do chladnější části. A právě v tom pohybu vzniká napětí.

Výsledkem je nový koncept: magnonická Nernstova odezva. Podle autorů studie jde o univerzální fyzikální princip, který lze využít v širokém spektru materiálů.

Zatím je objev teoretický, ale tým už pracuje na experimentech, které mají tuto predikci ověřit. Dalším krokem bude zkoumání, zda lze magnony ovládat světlem - konkrétně světlem, které nese vlastní orbitální moment.

Pokud se tato možnost potvrdí, znamenalo by to úplně nový způsob, jak použitím světelných pulzů řídit výpočetní procesy. Pro vývoj čipů budoucnosti to může mít zásadní význam. Dnešní elektronické obvody se blíží možnostem křemíku, ale magnonické prvky by mohly jejich limity výrazně překročit.