Ny undersøgelse er et skridt mod energieffektiv kvanteberegning i magneter

Forskere fra Lancaster University og Radboud University Nijmegen har formået at generere udbredende spin-bølger på nanoskala og opdaget en ny vej til at modulere og forstærke dem.

Deres opdagelse, offentliggjort i Nature , kunne bane vejen for udviklingen af ​​spredningsfrie kvanteinformationsteknologier. Da spin-bølgerne ikke involverer elektriske strømme, vil disse chips være fri for tilhørende energitab.

Den hastigt voksende popularitet af kunstig intelligens kommer med et stigende ønske om hurtige og energieffektive computerenheder og opfordrer til nye måder at lagre og behandle information på. De elektriske strømme i konventionelle enheder lider under tab af energi og efterfølgende opvarmning af miljøet.

Et alternativ til de "tabende" elektriske strømme er at lagre og behandle information i bølger ved at bruge elektronernes spins i stedet for deres ladninger. Disse spins kan ses som de elementære enheder af magneter.

Hovedforfatter Dr. Rostislav Mikhaylovskiy fra Lancaster University sagde:"Vores opdagelse vil være essentiel for fremtidig spin-bølge-baseret databehandling. Spin-bølger er en tiltalende informationsbærer, da de ikke involverer elektriske strømme og derfor ikke lider af resistive tab."

Det har allerede været kendt i mange år, at spins kan sparkes ud af deres ligevægtsorientering. Efter denne forstyrrelse begynder spins at præcessere (dvs. rotere) omkring deres ligevægtsposition. I magneter er tilstødende spins ekstremt stærkt koblet, hvilket danner en nettomagnetisering. På grund af denne kobling kan spin-præcessionen forplante sig i det magnetiske materiale, hvilket giver anledning til en spin-bølge.

"Iagttagelse af ikke-lineær konvertering af kohærente udbredende magnoner på nanoskala, hvilket er en forudsætning for enhver praktisk magnon-baseret databehandling, har været efterspurgt af mange grupper verden over i mere end et årti. Derfor er vores eksperiment et vartegn for spinbølgestudier, som rummer potentialet til at åbne en helt ny forskningsretning om ultrahurtig kohærent magnonic med øje for udviklingen af ​​spredningsfrie kvanteinformationsteknologier."

Forskerne har brugt det faktum, at de højest mulige frekvenser af spin-rotationerne kan findes i materialer, hvor tilstødende spins er skråtstillet i forhold til hinanden.

For at ophidse en sådan hurtig spin-dynamik brugte de en meget kort lysimpuls, hvis varighed er kortere end spin-bølgens periode, dvs. mindre end en trilliontedel af et sekund. Tricket til at generere den ultrahurtige spin-bølge på nanoskala ligger i lysimpulsens fotonenergi.

Undersøgelsesmaterialet udviser ekstrem stærk absorption ved ultraviolette (UV) fotonenergier, som lokaliserer excitationen i et meget tyndt område på kun et par tiere nanometer fra grænsefladen, hvilket tillader spinbølger med terahertz (en billioner af Hertz) frekvenser og sub-mikrometer bølgelængder for at fremkomme.

Dynamikken af ​​sådanne spin-bølger er i sig selv ikke-lineær, hvilket betyder, at bølgerne med forskellige frekvenser og bølgelængder kan konverteres til hinanden.

Forskerne har nu for første gang indset denne mulighed i praksis. De opnåede dette ved at excitere systemet ikke med kun én, men med to intense laserimpulser, adskilt af en kort tidsforsinkelse.

Førsteforfatter Ruben Leenders, tidligere ph.d. studerende ved Lancaster University, sagde:"I et typisk eksperiment med enkelt puls excitation ville vi simpelthen forvente, at de to spin-bølger interfererer med hinanden, som alle bølger gør. Men ved at variere tidsforsinkelsen mellem de to pulser, fandt vi ud af, at dette superposition af de to bølger holder ikke."

Holdet forklarede observationerne ved at overveje koblingen af ​​den allerede exciterede spin-bølge med den anden lysimpuls. Resultatet af denne kobling er, at når spindene allerede roterer, giver den anden lysimpuls et ekstra kick til spinsene.

Styrken og retningen af ​​dette spark afhænger af tilstanden af ​​afbøjningen af ​​spins på det tidspunkt, hvor denne anden lysimpuls ankommer. Denne mekanisme giver mulighed for kontrol over spin-bølgernes egenskaber, såsom deres amplitude og fase, blot ved at vælge den passende tidsforsinkelse mellem excitationerne.