Forskere bygger en exceptionel overflade ud af exceptionelle punkter

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory er exceptionelle i mange henseender. Arbejder i samarbejde med Imperial College London, for eksempel, de har forsket i et fænomen i informationsbehandlingssystemer kaldet "exceptionelle punkter". Dette fænomen har fundet anvendelser i mikroovn, optiske og mekaniske teknologier.

"Vores team opdagede eksperimentelt en exceptionel overflade, en kontinuerlig tredimensionel buet overflade af exceptionelle punkter, " sagde Xufeng Zhang, som ledede dette internationale forskningsprojekt og arbejder som assisterende videnskabsmand ved Center for Nanoscale Materials (CNM) i Argonne, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Tidligere forskning fra andre havde opdaget undtagelsespunkter, og efterfølgende forskere havde plottet linjer af målte exceptionelle punkter, men det er første gang, forskere har plottet overflader.

"Vores oprindelige bidrag er at have kortlagt tredimensionelle overflader af exceptionelle punkter baseret på eksperimentelle målinger, og resultatet er slående smukke grafer." - Xufeng Zhang, assisterende videnskabsmand ved Center for Nanoskala Materialer

"Tænk på to systemer, som hver har sit eget energitab til miljøet, " forklarede Zhang. "Forestil dig også, at disse systemer er koblet, så de kan udveksle energi mellem dem."

Når disse systemer er langt fra hinanden, der sker lidt interaktion mellem dem, og energirelaterede beregninger giver to uafhængige løsninger, der alene er knyttet til deres samspil med miljøet. Når de nærmer sig hinanden og interagerer sammen, systemerne går ind i en overgangsfase, hvor der kun er én løsning. Det betragtes som et ekstraordinært punkt. Efterhånden som systemerne rykker endnu tættere på, det exceptionelle punkt forsvinder, og beregningerne giver par af "hybridløsninger, "en blanding af løsningerne for hvert system.

En mulig anvendelse af exceptionelle punkter er sensorer med stærkt forbedret følsomhed over for forstyrrelser såsom små udsving i et magnetfelt. En anden applikation er tilstandskonvertering, som tillader, for eksempel, signalerne fra de to parter i et telefonopkald skal holdes i separate tilstande, derved i det væsentlige eliminere enhver uønsket interferens.

"Vores oprindelige bidrag er at have kortlagt tredimensionelle overflader af exceptionelle punkter baseret på eksperimentelle målinger, og resultatet er slående smukke grafer, " sagde Zhang. Disse exceptionelle overflader har selv, hvad Zhang kalder "exceptionelle sadelpunkter, " det mest exceptionelle punkt blandt alle de andre ekstraordinære punkter på overfladerne. Disse sadelpunkter har øget den ønskede adfærd i forhold til de andre exceptionelle punkter.

Holdets eksperimentelle apparat kombinerer to systemer:et specialiseret printkort, der begrænser mikrobølger, og en mikroskala magnetisk kugle af yttriumjerngranat, som producerer resonanser kaldet "magnoner".

"Magnoner er kvantificerede kvasipartikler forbundet med spinbølger, en kollektiv excitation af den magnetiske orden i et krystalgitter, " Zhang forklarede. "Det, der er vigtigt her, er, at ændring af magnetiseringen på et punkt i gitteret påvirker de tilstødende steder som en bølge, der risler gennem overfladen af ​​en rolig dam."

Holdet brugte et magneto-elektro-optisk spektrometer ved CNM til at måle responsen på forskellige justeringer af foton-magnon koblingsstyrke og position i deres apparat, derefter plottede resultaterne i tredimensionelle grafer af en exceptionel overflade.

Selvom det er meget abstrakt og matematisk, denne afgørende opdagelse kan have en virkelig indflydelse på informationsbehandling. Som et af flere mulige eksempler, informationsoverførsel kræver, at støj ikke ødelægger de nuller og dem, der transmitteres, og enestående overfladekortlægning kunne hjælpe med at give meget større beskyttelse af denne proces.

"Vores arbejde åbner også spændende nye muligheder for kvanteinformationsbehandling med meget ønskede funktionaliteter, " bemærkede Zhang.