Forskere opdager nye måder at ophidse spin-bølger med ekstremt infrarødt lys

Da efterspørgslen efter computerressourcer fortsætter med at stige hurtigt, leder videnskabsmænd og ingeniører efter måder at bygge hurtigere systemer til behandling af information på. En mulig løsning er at bruge mønstre af elektronspin, kaldet spin-bølger, til at overføre og behandle information meget hurtigere end i konventionelle computere. Hidtil har en stor udfordring været at manipulere disse ultrahurtige spin-bølger til at udføre nyttigt arbejde.

I et betydeligt spring fremad har forskere fra University of Texas i Austin og MIT udviklet en banebrydende metode til præcist at manipulere disse ultrahurtige spin-bølger ved hjælp af skræddersyede lysimpulser. Deres resultater er detaljeret beskrevet i to undersøgelser i Nature Physics , ledet af MIT kandidatstuderende Zhuquan Zhang, University of Texas i Austin postdoc-forsker Frank Gao, MIT's professor i kemi Keith Nelson og UT Austin assisterende professor i fysik Edoardo Baldini.

En nøglekomponent, der ligger til grund for vores smartphones, internettet og cloud computing er magnetisk dataregistreringsteknologi til lagring og genfinding af enorme mængder information. Denne teknologi afhænger af manipulationen af ​​de magnetiske spin-tilstande (op og ned) i ferromagnetiske materialer, der repræsenterer de binære bits "0" og "1". Disse spins er små magneter, hvis justering bestemmer materialets magnetiske egenskaber.

Når forskere slår et sæt atomer i disse materialer med lys, får det deres spin til at slingre i et mønster, der bølger ud gennem naboatomer som bølger på en dam, når en sten falder ind. Dette er en spin-bølge.

I modsætning til disse konventionelle datalagringsmaterialer har en speciel klasse af magnetiske materialer kendt som antiferromagneter spins justeret i modsatte retninger. Spin-bølger i disse materialer er typisk meget hurtigere end deres modstykker i ferromagneter og rummer derfor potentiale for fremtidige arkitekturer til højhastighedsinformationsbehandling.

Forskerne eksperimenterede med en antiferromagnet kendt som en orthoferrit. Dette materiale er vært for et par distinkte spin-bølger, der normalt ikke taler med hinanden. Ved at anvende terahertz (THz) lys, som er usynligt for det menneskelige øje ved ekstreme infrarøde frekvenser, fik forskerne med succes disse spin-bølger til at interagere.

I et papir viste de, at brug af intense THz-felter til at excitere en spin-bølge ved en bestemt frekvens kan initiere en anden spin-bølge ved en højere frekvens, lidt ligesom de harmoniske overtoner, der naturligt opstår, når en guitarstreng plukkes.

"Dette overraskede os virkelig," sagde Zhang. "Det betød, at vi ikke-lineært kunne kontrollere energistrømmen i disse magnetiske systemer."

I det andet papir fandt de ud af, at excitationen af ​​to forskellige spin-bølger kan resultere i en ny, hybrid spin-bølge. Baldini sagde, at dette er særligt spændende, fordi det kan hjælpe med at skubbe teknologien fra spintronics til et nyt område kaldet magnonics. I spintronics bæres information i spin af individuelle elektroner. I magnonik transporteres information i spinbølger (også kendt som magnoner).

"Her, i modsætning til med spintronics, bruger du disse kollektive type spin-bølger, der involverer mange, mange elektronspin samtidigt," sagde Baldini. "Det kan føre dig til ekstremt hurtige tidsskalaer, som ikke er tilgængelige i spintronics og også flytte information på en mere effektiv måde."

For at udføre dette banebrydende arbejde udviklede forskerne et sofistikeret spektrometer til at afdække den gensidige kobling mellem forskellige spin-bølger og for at afsløre deres underliggende symmetrier.

"I modsætning til synligt lys, der let kan ses af øjet, er THz-lys udfordrende at opdage," sagde Gao. "Disse eksperimenter ville ellers være umulige uden teknikudviklingen, som gjorde det muligt for os at måle THz-signaler med kun en enkelt lysimpuls."

Flere oplysninger: Zhuquan Zhang et al., Terahertz-felt-drevet magnon-opkonvertering i en antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7

Zhuquan Zhang et al., Terahertz felt-induceret ikke-lineær kobling af to magnon-tilstande i en antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3

Leveret af University of Texas i Austin