Magnetische wormen voor communicatiesystemen op nanoschaal

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Hoogfrequente elektromagnetische golven worden gebruikt om informatie te verzenden en te verwerken in micro-elektronische apparaten zoals smartphones. Het is al duidelijk dat deze golven kunnen worden gecomprimeerd met magnetische oscillaties die bekend staan als spingolven of magnonen. Deze compressie zou de weg kunnen effenen voor het ontwerp van nanoschaal, multifunctionele microgolfapparaten met een aanzienlijk kleinere voetafdruk. Maar eerst moeten wetenschappers een beter begrip krijgen van spingolven – of hoe magnonen zich precies gedragen en zich voortplanten in verschillende structuren.

Het onderzoeksteam onderzocht hoe elektromagnetische golven zich voortplanten en hoe ze kunnen worden gemanipuleerd in nauwkeurig ontworpen nanostructuren die bekend staan als kunstmatige ferromagnetische quasikristallen. De quasikristallen hebben een unieke eigenschap: hun structuur is aperiodiek, wat betekent dat hun samenstellende atomen of op maat gemaakte elementen geen regelmatig, herhalend patroon volgen, maar nog steeds deterministisch zijn gerangschikt. Hoewel dit kenmerk materialen bijzonder nuttig maakt voor het ontwerp van alledaagse en hightech apparaten, blijft het slecht begrepen.

Het team ontdekte dat, onder gecontroleerde omstandigheden, een enkele elektromagnetische golf gekoppeld aan een kunstmatig quasikristal splitst in verschillende spingolven, die zich vervolgens binnen de structuur voortplanten. Elk van deze spingolven vertegenwoordigt een andere fase van de oorspronkelijke elektromagnetische golf, met verschillende informatie. "Het is een zeer interessante ontdekking, omdat bestaande methoden voor informatieoverdracht hetzelfde principe volgen", zegt Dirk Grundler, universitair hoofddocent aan de School of Engineering (STI) van EPFL. "Behalve dat je een extra apparaat nodig hebt, een multiplexer, om het ingangssignaal te splitsen, omdat het – in tegenstelling tot onze studie – niet vanzelf deelt."

Grundler legt ook uit dat in conventionele systemen de informatie in elke golf alleen op verschillende frequenties kan worden gelezen – een ander ongemak dat het EPFL-team in hun studie heeft overwonnen. "In onze tweedimensionale quasikristallen kunnen alle golven met dezelfde frequentie worden gelezen", voegt hij eraan toe.