Terahertz Spin Wave Logic

Descripción del proyecto

La magnónica impulsada por la luz ofrece esperanzas para el procesamiento ultrarrápido de datos

La creciente demanda de un procesamiento de datos más rápido y eficiente desde el punto de vista energético ha llegado a un límite crítico: el calor generado por la electrónica actual en los centros de datos modernos limita el rendimiento y contribuye al calentamiento global. Con la tecnología magnónica se utilizan ondas de espín (magnones) en lugar de electricidad para procesar los datos, lo que evita los problemas de calor. Sin embargo, para generar estos magnones, la magnónica depende de las corrientes eléctricas. El equipo del proyecto SPINWAVE, financiado por el CEI, pretende eliminar esta dependencia de la electricidad utilizando la luz para generar y manipular magnones en unos materiales especiales llamados antiferromagnetos. En estos materiales, los espines precesan en escalas de tiempo de picosegundos y se acoplan fuertemente a las ondas electromagnéticas de terahercios. Mediante el desarrollo de modelos teóricos, solucionadores numéricos y elementos lógicos prototípicos, el método de SPINWAVE podría revolucionar el procesamiento de datos basado en magnones, alcanzando una velocidad y eficacia sin precedentes.

Objetivo

Finding a fundamentally new approach for data processing in the fastest and most energy efficient way is a frontier problem for applied physics and technology. The amount of data generated every second is so enormous that the heat produced by modern data centres has already become a serious limitation to further increase their performance. This heating is a result of the Ohmic dissipation of energy unavoidable in conventional electronics. At present, the data industry lacks a solution for this problem, which in future may contribute greatly to the global warming and energy crisis.
An emerging alternative approach is to employ spin waves (magnons) to realize waveform-based computation, which is free from electronic Joule heating. However, the present realization of this approach, called magnonics, uses electric currents to generate and modulate magnons. This project aims to replace the electrons with light using antiferromagnetic materials, in which spins precess on a picosecond timescale and strongly couple to electro-magnetic waves. This interdisciplinary approach at the interface between magnetism and photonics not only circumvents Ohmic losses, but simultaneously pushes the operation of magnonics to THz clock-rates. Firstly, we will develop theoretical framework and a numerical solver to describe antiferromagnetic spin dynamics, strongly coupled to electro-magnetic radiation at THz frequencies. Secondly, we will develop prototypical antiferromagnetic logic elements that may have an enormous impact upon future magnon-based information processing technology. These two tasks will be pursued in parallel as the development of the solver will be validated through comparison of the numerical results with the experimental data, while the design of the magnonic logic will be informed by the numerical simulations.