Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Sreeveni Das

Väitöskirjan nimi: Engineering magnetic properties of garnet films and designing CoFeB-based magneto-ionic synapses for spin-based computing

Väittelijä: Sreeveni, Das
Vastaväittäjä: Dr. Stefania Pizzini, Institut Néel - Grenoble, Ranska
Kustos: Prof. Sebastiaan van Dijken, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu  

Nykyaikaisten tietojenkäsittelyjärjestelmien avulla tehdään monia läpimurtoja tekoälyn, viestinnän ja datankäsittelyn parissa. Kun teknologia näiden osalta kehittyy, niiden vaatima energian tarve kuitenkin kasvaa herättäen huolta kestävyydestä ja skaalautuvuudesta. Eräs lupaava vaihtoehto on spintroniikka, joka hyödyntää elektronien spiniä tiedon käsittelyssä ja tallennuksessa energiatehokkaasti. Spintroniikkaa soveltavien teknologioiden toteutus vaatii magneettisten materiaalien ja laitearkkitehtuurin kehittämistä. Tämä väitös tutkii, kuinka tällaisia materiaaleja ja alustoja voidaan kehittää tukemaan tulevaisuuden tietojenkäsittelyjärjestelmiä vähentäen energian kulutusta ja parantaen toiminnallisia ominaisuuksia.

Väitöksen ensimmäinen osa perehtyy siihen, kuinka ohuiden granaattikalvojen magneettisia ominaisuuksia voidaan säätää optimoimalla niiden kasvatusolosuhteita ja hyödyntämällä ionisäteilytystekniikoita. Näillä eristävillä magneettisilla oksideilla on erityisen matala magneettinen vaimennuskerroin, mikä tekee niistä otollisia ehdokkaita korvaamaan perinteiset metalliset ferromagneetit sovelluksissa, jotka vaativat minimaalista energiahäviötä signaalien käsittelyssä. Tässä tutkimuksessa demonstroidaan lähes toiminnallisia magneettisia kalvoja, joiden ominaisuudet ovat lupaavia spineihin perustuville tietojenkäsittelyteknologioille. 

Väitöksen toinen osa esittelee laitekonseptin, joka on suunniteltu emuloimaan ihmisaivojen synapsien käyttäytymistä. Nämä keinotekoiset synapsit luovat pohjan neuromorfiselle tietojenkäsittelylle, mikä pyrkii jäljittelemään sitä, kuinka aivot käsittelevät tietoa. Synaptisten laitteiden keskeinen ominaisuus on jännitteellä ajettu Weissin alueiden modulointi, mikä mahdollistaa magneettisten tilojen kontrolloinnin ilman sähkövirtaa. Tämä mekanismi imitoi tapaa, jolla biologiset synapsit toimivat: se voi varastoida tietoa ja mukauttaa vasteen perustuen sen menneeseen toimintaan. Tämä tarjoaa polun kohti matalatehoisia ja mukautuvia tietojenkäsittelyjärjestelmiä, jotka kykenevät oppimaan ja muistamaan. 

Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus tarjoaa uutta tietoa siitä, kuinka magneettisia ominaisuuksia voidaan kontrolloida hyödyntämällä nanomittakaavan laitesuunnittelua ja materiaalitekniikkaa. Löydökset tukevat ponnisteluja energiatehokkaiden tietojenkäsittelyjärjestelmien kehityksessä ja voivat kiinnostaa tutkijoita, jotka työskentelevät spintroniikan, neuromorfisten laitteistojen ja funktionaalisten materiaalien parissa.

Avainsanat: Magnetismi, Spintroniikka, Magneettiset skyrmionit, Neuromorfinen laskenta, Magnetoioniikka, kohtisuora magneettinen anisotropia, magneettiset granaatit

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc