Forsker Therese Frostad ved NTNU jobber med nye metoder for å overføre informasjon mer effektivt. Dette kan bidra til for eksempel raskere datamaskiner som bruker lite strøm.

– Jeg jobber med spinntronikk. Det er et forskningsfelt som utnytter elektronspinnet for å utvikle ny teknologi, forteller hun.

Spinn overfører informasjonen istedenfor elektroner

Et elektron er en ladet partikkel i et atom. Elektrisitet er egentlig bare elektroner som beveger seg langs et materiale.

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 bærere av informasjon, 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.

Bose-Einstein-kondensater

Frostad har jobbet med såkalte Bose-Einstein-kondensater. De er mer spennende enn du tror når du først vet hva de er. 

Dette handler om atomer. De beveger seg veldig sakte og oppfører seg som ett stort atom ved ekstremt lave temperaturer.

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?

De fleste vet at et stoff kan være i fast form, flytende eller gass. I tillegg finnes plasma. Det er en slags gass med ladninger. Og så finnes altså Bose-Einstein-kondensater. Det var ingen sikre på før for noen år siden.

Teorien bak disse kondensatene var ideen til den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose. Han fikk superkjendis Albert Einstein med på laget til å publisere den første vitenskapelige 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. Grunnen er at de er så velegnet til å studere magnetfelt, gravitasjon og helt grunnleggende egenskaper hos stoffer.

Du kan også studere spinnbølger i Bose-Einstein-kondensater. Det har altså Frostad gjort.

Og magnoner?

– En spinnbølge kaller vi gjerne et magnon, sier Frostad.

Magnonet er samtidig et såkalt boson. Det 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. Dette er spennende. Vi har nylig begynt å undersøke om vi kan bruke magnonkondensatet til ny teknologi, sier Frostad.

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 det har, sier Frostad. 

Frostad har gjort teoretiske beregninger knyttet til å lage magnoner. Hun har sett på hvordan kondensatets magnoner samhandler med og påvirker hverandre.

– Vi undersøkte hvordan vi kan styre kondensatets egenskaper ved eksterne magnetfelt. Vi undersøkte også hvordan vi kan endre egenskapene til materialene og systemene som vi lagde kondensatet i, sier Frostad.

Kan bli nyttig på flere områder

– Forskningen utvider muligheten for å kontrollere Bose-Einstein kondensat. Dette kan kanskje utnyttes i fremtidig kvante-sensorteknologi, sier professor Arne Brataas ved NTNU.  

Han var Frostads veileder i arbeidet med hennes doktorgrad.

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, svært følsomme instrumenter, i fundamental vitenskap, sier Qaiumzadeh.

Sensitive detektorer er svært følsomme instrumenter. De kan oppfatte minimal aktivitet eller signaler.

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 avdekke aksion mørk materie, sier Qaiumzadeh.

Aksion mørk materie er en hypotetisk type partikkel. Den er foreslått som en mulig forklaring på mørk materie, noe som vagt kan interagere med vanlig materie.

Dette handler om helt grunnleggende fysikk, altså hvordan verden rundt oss fungerer. Og det er i hvert fall fascinerende.

Referanser:

Therese Frostad mfl.: Spin-transfer-assisted parametric pumping of magnons in yttrium iron garnet. Physical Review, 2022. Sammendrag Doi.org/10.1103/PhysRevB.106.024423 

Therese Frostad mfl.: Anisotropy-assisted magnon condensation in ferromagnetic thin films. Physical Review Research, 2024. Sammendrag Doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L012011

Artikkelen er produsert og finansiert av NTNU

NTNU er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Fikk du med deg disse sakene fra NTNU?

• 

  Slik kan du redusere strømregningen

• 

  1.000 dager med krig i Ukraina – hva nå?

• 

  – Kvinner som har mistet et barn, fortsetter å få reklame og påminnelser om barnet som skulle vært der

• 

  Frivillige bør ikke bli venn med pasienten: – Kan havne i en følelses­messig skvis

• 

  Masterstudent fant klimatall som forskerne trenger

• 

  Neppe flere kriser enn før – men flere kriseoppslag

Les flere saker fra NTNU her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER