Den næste generation af informationsbehandling er gennem sammenhængende portoperationer

Mange af os svinger gennem porte hver dag - ind- og udgange til et rum som en have, park eller metro. Elektronik har også porte. Disse styrer informationsstrømmen fra et sted til et andet ved hjælp af et elektrisk signal. I modsætning til en havelåge, disse porte kræver kontrol over deres åbning og lukning mange gange hurtigere end et øjebliks blik.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering har udtænkt et unikt middel til at opnå effektiv portdrift med en form for informationsbehandling kaldet electromagnonics. Deres afgørende opdagelse tillader realtidsstyring af informationsoverførsel mellem mikrobølgefotoner og magnoner. Og det kan resultere i en ny generation af klassiske elektroniske og kvante signalanordninger, der kan bruges i forskellige applikationer såsom signalskift, lav-effekt computing og kvante netværk.

Mikrobølge -fotoner er elementære partikler, der danner de elektromagnetiske bølger, der anvendes i, for eksempel, trådløs kommunikation. Magnoner er de partikelagtige repræsentanter for "spin-bølger". Det er, bølgelignende forstyrrelser i en ordnet række af mikroskopisk justerede spins, der forekommer i visse magnetiske materialer.

"Mange forskningsgrupper kombinerer forskellige typer informationsbærere til informationsbehandling, "sagde Xufeng Zhang, assisterende videnskabsmand i Center for nanoskala materialer, en DOE Office of Science User Facility i Argonne. "Sådanne hybridsystemer ville muliggøre praktiske applikationer, der ikke er mulige med informationsbærere af en enkelt type."

"Signalbehandling, der kobler spin-bølger og mikrobølger, er en højtrådshandling, "tilføjede Zhang." Signalet skal forblive sammenhængende på trods af energiforbrud og andre ydre effekter, der truer med at kaste systemet i usammenhæng. "

Sammenhængende portbetjening (kontrol over, off og varighed af magnon-foton-interaktionen) har været et længe eftertragtet mål i hybrid-magnonsystemer. I princippet, dette kan opnås ved hurtig indstilling af energiniveauer mellem foton og magnon. Imidlertid, en sådan tuning har været afhængig af at ændre enhedens geometriske konfiguration. Det kræver typisk meget længere tid end magnons levetid-i størrelsesordenen 100 nanosekunder (et hundrede milliarddeler af et sekund). Denne mangel på en hurtig indstillingsmekanisme til interaktion af magnoner og fotoner har gjort det umuligt at opnå nogen real-time portkontrol.

Ved hjælp af en ny metode, der involverer tuning på energiniveau, holdet var i stand til hurtigt at skifte mellem magnoniske og fotoniske tilstande i en periode kortere end magnon- eller fotonlevetiden. Denne periode er kun 10 til 100 nanosekunder.

"Vi starter med at indstille foton og magnon med en elektrisk puls, så de har det samme energiniveau, "sagde Zhang." Så, informationsudvekslingen starter mellem dem og fortsætter, indtil den elektriske puls slukkes, som flytter magnonets energiniveau væk fra fotonets. "

Ved denne mekanisme, Zhang sagde, teamet kan styre informationsstrømmen, så det hele er i fotonet eller alt i magnonen eller et sted imellem. Dette er muliggjort af et nyt enhedsdesign, der tillader nanosekundindstilling af et magnetfelt, der styrer magnonenerginiveauet. Denne afstemning tillader den ønskede sammenhængende portbetjening.

Denne forskning peger på en ny retning for elektromagnonik. Mest vigtigt, den demonstrerede mekanisme fungerer ikke kun i det klassiske elektronikregime, men kan også let anvendes til manipulering af magnoniske tilstande i kvanteregimet. Dette åbner muligheder for elektromagnetisk baseret signalbehandling i kvanteberegning, kommunikation og sansning.

Denne forskning blev delvist støttet af DOE Office of Basic Energy Sciences. Det blev rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve , i et papir med titlen "Coherent gate operations in hybrid magnonics."