Övertoner kan ge snabbare datakommunikation
Forskare har för första gången lyckats framkalla så kallade spinnvågsövertoner. Tekniken öppnar möjligheter för att öka datahastigheten vid trådlös kommunikation.
Mikrovågssignalen hoppar från runt 10 till 14 GHz och sedan till 20 GHz när strömmen ökas.
Spinntroniska oscillatorer är en sorts nanokomponenter där spinnvågor används för att skapa mikrovågssignaler i gigahertzområdet. Spinnvågsövertonerna kan liknas vid de övertoner (flageoletter), som används inom musik.
– Exempelvis vet en erfaren violinist exakt var på strängen man försiktigt placerar fingret för att dämpa grundfrekvensen och istället låter strängen svänga på en av sina många övertoner. Detta gör det möjligt att spela toner som är mycket högre i frekvens än strängens grundton, säger Johan Åkerman, professor vid Göteborgs universitet.
Tillsammans med kollegor i Göteborg och Portugal har han nu visat hur man spelar och förstärker sådana övertoner på nanonivå. Forskarna har tillverkat spinntroniska oscillatorer som förstärker spinnvågssignalerna i flera steg.
Resultatet överraskade
Till forskarnas förvåning uppvisade deras nya oscillatorer ett helt oväntat och nytt fenomen.
När forskarna ökade drivströmmen uppvisade signalen stora hopp i frekvens. Först från grundfrekvensen 9 GHz till 14 GHz och därefter ett andra hopp till 20 GHz.
– Resultaten överensstämmer med John Slonczewskis bortglömda teoretiska förutsägelser av spinnvågsövertoner, säger Johan Åkerman.
I en artikel från 1999 lägger fysikern John Slonczewskis grunden för hur de spinnvågor som genereras i spinntroniska oscillatorer beskrivs. Han nämner då också att hans modell även stöder generering av mycket högre frekvenser med hjälp av övertoner.
– Medan John Slonczewskis artikel inspirerade ett snabbt växande forskningsfält inom spinntroniska oscillatorer har övertoner inte alls diskuterats vidare och heller aldrig testats experimentellt förrän nu. Våra experiment visar att det är möjligt att skapa flera olika övertoner i spinntroniska oscillatorer vilket gör det möjligt att göra extremt stora och snabba frekvenshopp för att öka datahastigheten vid trådlös kommunikation.
Upptäckten gör det också möjligt för forskarna att generera väldigt höga mikrovågsfrekvenser med kort våglängd för användning inom spinntronik och magnonik.
– Medan grundtonens våglängd är runt 500 nanometer så är våglängden hos den demonstrerade tredje övertonen så kort som 74 nanometer. Framtida studier på mindre oscillatorer skulle därmed kunna generera spinnvågor ner till 15 nanometer med frekvenser upp till 300 GHz. Potentialen för extremt högfrekvent spintronik och magnonik är därför enorm, säger Johan Åkerman.
Högre frekvens leder till snabbare datakommunikation vid trådlös överföring men kan också ge bättre bilradar för självkörande bilar.
Johan Åkermans forskningsgrupp från Göteborgs universitet har samarbetat med forskare vid International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) i Portugal. Artikeln är nyligen publicerad i Nature Communications.
Läs mer i Nature Communication>>
Kontakt:
Johan Åkerman, professor i fysik vid Göteborgs universitet. telefon: 031-786 91 47, mobil: 0707-10 43 60 e-post: johan.akerman@physics.gu.se
Foto:
Illustrationen visar hur mikrovågssignalen hoppar från runt 10 till 14 GHz och sedan till 20 GHz när strömmen ökas.
Porträttbild av Johan Åkerman, foto Johan Wingborg.