Onze moderne samenleving wordt gedreven door data, wat zorgt voor een continue vraag naar innovatieve en duurzame dataverwerkingsapparaten. De glasvezelnetwerken hebben een vrijwel verliesvrije Tb/s overdracht van data mogelijk gemaakt, gecodeerd in de amplitude en fase van een optische golf. Tegelijkertijd blijft dataverwerking met Tb/s snelheden, in lijn met de datastroom, een grote uitdaging. Zelfs als we erin slagen om een bit informatie in één ps te verwerken (overeenkomend met Tb/s), zal het herhalen van dit proces met Tb/s snelheden resulteren in explosieve, onbetaalbare energiekosten! Daarom is er behoefte aan nieuwe manieren en technologieën voor snellere en energie-efficiëntere dataverwerking en -opslag.
Magnonics wordt algemeen gezien als een van de meest aantrekkelijke oplossingen voor dit probleem. In plaats van lichtgolven maakt magnonics gebruik van spingolven – de collectieve voortbewegende precessie van spins in magnetische materialen. Ze worden gekenmerkt door zeer hoge Thz-frequenties, waardoor Tb/s dataverwerkingssnelheden mogelijk zijn, lage dissipatie, en kunnen tegelijkertijd worden geschaald tot 1 nm. Hoewel verschillende methoden bekend zijn om diverse spingolfexcitaties te genereren en detecteren, zijn we nog steeds niet in staat om de golven met elkaar te laten interacteren. Dit blijkt een groot probleem te zijn omdat berekening een sterk niet-lineair proces is waarbij meerdere signalen moeten interacteren. Niet-lineariteit is wat Thz-spingolven belemmert in praktische toepassingen. Hoe kan magnonics in het THz-domein worden gebracht en het niet-lineaire regime betreden? En hoe groot zijn de THz-niet-lineariteiten? In het ASTRAL-project zal het onderzoeksteam deze fundamentele sleutelmechanismen aanpakken.
Ultrakorte grootamplitude spingolfpulsen Het onderzoeksteam streeft ernaar het niet-lineaire regime van THz-magnonics te betreden door ultrakorte grootamplitude spingolfpulsen te genereren. Zulke pulsen, die zeer kort in tijd zijn, zouden al hun energie zeer geconcentreerd hebben, zodat werkelijk grootamplitude spingolfexcitatie wordt gerealiseerd. Deze pulsen kunnen, vergelijkbaar met femtoseconde lichtpulsen, worden gegenereerd uit breedbandige spingolfpakketten waarin individuele spingolfcomponenten constructief interfereren zodat een solitaire spingolfpuls wordt bereikt, met een amplitude die alleen wordt beperkt door de bandbreedte van het pakket – wat een weg opent naar niet-lineaire interactie en het controleren van magnetische bits. "We zullen ons richten op antiferromagneten, waar SW-frequenties gemakkelijk het THz-niveau kunnen bereiken en een lineaire, zogenaamde relativistische dispersierelatie volgen", legt Dmytro Afanasiev uit. Hij zegt ook: "als ze worden gerealiseerd, kunnen zulke pulsen ongestoord over lange afstanden schieten en het niet-lineaire regime van interactie tussen de pulsen, andere spingolven en zelfs macroscopische spintexturen ontgrendelen."
ASTRAL zal het exclusieve vermogen van licht benutten om ultrasnelle spindynamica te initiëren en zal proberen femtoseconde laserpulsen om te zetten in grootamplitude ultrakorte SW-pulsen. Hoewel het idee fundamenteel van aard is, zal het nieuwe paden creëren naar baanbrekende nieuwe computertechnologieën.