Dette kan gjøre verdens raskeste datamaskiner til sinker
Om magnoner, Bose-Einstein-kondensater og skikkelig flinke folk.
NTNU har mange dyktige forskere. Noen av dem jobber med nye metoder for å overføre informasjon mer effektivt. Dette gjør de ofte fordi de synes det er spennende, men en hyggelig sideeffekt er at arbeidet deres kan bidra til for eksempel raskere datamaskiner som bruker lite strøm.
En av disse er Therese Frostad.
– Jeg jobber med spinntronikk, et forskningsfelt som utnytter elektronspinnet for å utvikle ny teknologi, sier forsker Frostad ved Institutt for fysikk ved NTNU.
Om du ikke skjønte den forrige setningen, trenger du ikke fortvile, for vi kan finne ut av dette sammen. Kom an!
Spinn overfører informasjonen istedenfor elektroner
Om du fulgte med i naturfag på skolen, vet du kanskje at et elektron er en ladet partikkel i et atom. Elektrisitet er egentlig bare elektroner som beveger seg langs et materiale.
Therese Frostad. Foto: NTNU
I vanlige datamaskiner og annen elektronikk overføres informasjonen ved hjelp av nettopp elektrisitet, altså elektronstrømmen.
– Men varmeutvikling er et problem fordi hastigheten til datamaskinene går opp, og fordi komponentene blir stadig mindre og står stadig tettere, sier Frostad.
Den tradisjonelle teknologien nærmer seg altså en grense. Forskere er derfor på jakt etter nye måter å overføre informasjonen på. Én løsning er å utnytte elektroners spinn, sånn som Frostad jobber med. Så hva er nå dette spinnet for noe?
Elektroner har spinn
I tillegg til ladning, har elektronene en annen egenskap, kalt spinn. Dette er blant annet grunnlaget for magnetisme.
Dette spinnet kan fysikere som Frostad manipulere ved hjelp av magnetfelter sånn at spinnet endrer seg, og sånn at denne endringen beveger seg som en bølge gjennom atomene i et materiale.
– I spinntronikk kan vi bruke spinnbølger som informasjonsbærere, sier Frostad.
Disse spinnbølgene utvikler mye mindre varme enn elektronstrømmene gjør. Derfor kan dette bli en løsning på varmeutviklingen i tradisjonell elektronikk.
– Det kan også hjelpe oss å utvikle teknologi med lav energibruk, sier Frostad.
Eh. Bose-Einstein-kondensater?
Under doktorgradsarbeidet jobbet Frostad med Bose-Einstein-kondensater, og de er mer spennende enn du tror når du først vet hva de er.
I Bose-Einstein-kondensater skjer nemlig de rareste ting, i hvert fall om du ser det med en ikke-fysikers øyne.
En gruppe forskere greide for eksempel for noen år siden å senke lyshastigheten til litt over 60 kilometer i timen i et Bose-Einstein-kondensat. Da kan de dristigste altså sykle fra lyset i en nedoverbakke. Det greier du neppe under normale forhold, selv om du trener hardt. Men hva er nå disse kondensatene?
Arne Brataas. Foto: NTNU
De fleste vet at et stoff kan være i fast form, flytende eller gass. I tillegg finnes plasma, som er en slags gass med ladninger. Og så finnes altså Bose-Einstein-kondensater, men det var ingen sikre på før for noen år siden.
Teorien bak disse kondensatene var ideen til den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose, som fikk superkjendis Albert Einstein med på laget til å publisere den første artikkelen om dem. I år er det faktisk 100 år siden de to begynte samarbeidet, men ingen fant et sånt kondensat i virkeligheten før i 1995. Atomkondensater opptrer bare ved ekstremt lave temperaturer, nær det absolutte nullpunktet.
Fysikere liker ofte Bose-Einstein-kondensater fordi de er så velegnet til å studere magnetfelt, gravitasjon og helt grunnleggende egenskaper hos stoffer.
Du kan også studere spinnbølger i Bose-Einstein-kondensater, og det har altså Frostad gjort.
Og magnoner?
– En spinnbølge kaller vi gjerne et «magnon», sier Frostad.
Magnonet er samtidig et såkalt «boson», som er en av de to gruppene med partikler som fysikerne snakker om innenfor kvantemekanikken. Og nå er det nanonivå og kvantemekanikkens områder vi befinner oss på.
– Når magnonene samler seg i laveste energitilstand, kan de selv danne et Bose-Einstein-kondensat, sier Frostad. – Dette er spennende, og vi har nylig begynt å undersøke om vi kan bruke magnonkondensatet til ny teknologi.
Kanskje kan forskerne bidra til å utvikle kvantedatamaskiner der magnonkondensatet er en del av teknologien.
Manipulerte magnonkondensater
– Men om vi skal bruke magnonkondensatet til noe nyttig, må vi først lære oss å kontrollere egenskapene til kondensatet, sier Frostad. – Dette var formålet med forskningen i doktorgradsavhandlingen min.
Alireza Qaiumzadeh. Foto: NTNU
Under arbeidet gjorde Frostad teoretiske beregninger knyttet til hvordan vi kan lage magnoner, og hvordan kondensatets magnoner samhandler med og påvirker hverandre.
– Vi undersøkte hvordan vi kan styre kondensatets egenskaper ved eksterne magnetfelt, og hvordan vi kan endre egenskapene til materialene og systemene som vi lagde kondensatet i, sier Frostad.
- Les også: Hvorfor finnes du og jeg og alt annet?
Kan bli nyttig på flere områder
Frostads veileder var professor Arne Brataas ved Institutt for fysikk ved NTNU.
– Forskningen utvider muligheten for å kontrollere Bose-Einstein kondensat. Dette kan kanskje utnyttes i fremtidig kvante-sensor teknologi, sier professor Brataas.
Han får støtte fra Frostads samarbeidspartner, forsker Alireza Qaiumzadeh ved Institutt for fysikk.
– En av fordelene med magnon-kondensater er at de kan eksistere i romtemperatur. I fremtiden kan kanskje magnon Bose-Einstein kondensater bli brukt som sensitive detektorer i fundamental vitenskap, sier forsker Qaiumzadeh.
Fundamental vitenskap vil få oss til å forstå mer om de helt grunnleggende mekanismene bak forskjellige naturfenomener. Qaiumzadeh minner om at ingen visste hva de skulle bruke lasere til da de ble oppfunnet heller. Du vet ikke alltid hva som blir nyttig.
– Vi kan kanskje tenke oss at dette kan bli brukt til å detektere aksion mørk materie, sier Qaiumzadeh.
Nei, jeg aner ikke hva det siste betyr heller. Men dette handler om helt grunnleggende fysikk, altså hvordan verden rundt oss fungerer. Og det er i hvert fall fascinerende.
Referanser: Frostad, T., Skarsvaag, H. L., Qaiumzadeh, A., & Brataas, A. (2022). Spin-transfer-assisted parametric pumping of magnons in yttrium iron garnet. Physical Review B, 106(2), 024423. Kristoffersen, A.-L. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.024423 https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.024423
Frostad, T., Pirro, P., Serga, A. A., Hillebrands, B., Brataas, A., & Qaiumzadeh, A. (2023). Anisotropy-assisted magnon condensation in ferromagnetic thin films. ADS. doi:10.1103/PhysRevResearch.6.L012011 https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024PhRvR…6a2011F/abstract
