Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory är exceptionella i många avseenden. Arbetar i samarbete med Imperial College London, till exempel, de har forskat om ett fenomen i informationsbehandlingssystem som kallas "exceptionella punkter". Detta fenomen har funnits tillämpningar i mikrovågsugn, optisk och mekanisk teknik.

"Vårt team upptäckte experimentellt en exceptionell yta, en kontinuerlig tredimensionell krökt yta med exceptionella punkter, "sa Xufeng Zhang, som ledde detta internationella forskningsprojekt och arbetar som assisterande forskare vid Center for Nanoscale Materials (CNM) i Argonne, en DOE Office of Science User Facility. Tidigare forskning av andra hade upptäckt undantagspunkter, och efterföljande forskare hade plottade linjer med uppmätta exceptionella punkter, men detta är första gången forskare har plottat ytor.

"Vårt ursprungliga bidrag är att ha kartlagt tredimensionella ytor av exceptionella punkter baserat på experimentella mätningar, och resultatet är slående vackra grafer. " - Xufeng Zhang, biträdande forskare vid Center for Nanoscale Materials

"Tänk på två system, var och en har sin egen energiförlust för miljön, "förklarade Zhang." Tänk dig också att dessa system är kopplade så att de kan utbyta energi mellan dem. "

När dessa system är långt ifrån varandra, lite interaktion uppstår mellan dem, och energirelaterade beräkningar ger två oberoende lösningar kopplade till deras interaktioner med miljön ensam. När de närmar sig varandra och interagerar tillsammans, systemen går in i en övergångsfas där det bara finns en lösning. Det anses vara en exceptionell punkt. När systemen rör sig ännu närmare, den exceptionella punkten försvinner, och beräkningarna ger par av "hybridlösningar, "en blandning av lösningarna för varje system.

En möjlig tillämpning av exceptionella punkter är sensorer med kraftigt förbättrad känslighet för störningar som små fluktuationer i ett magnetfält. En annan applikation är lägeskonvertering, vilket tillåter, till exempel, signalerna från de två parterna i ett telefonsamtal som ska hållas i separata lägen, därigenom elimineras i princip alla oönskade störningar.

"Vårt ursprungliga bidrag är att ha kartlagt tredimensionella ytor av exceptionella punkter baserat på experimentella mätningar, och resultatet är slående vackra grafer, "Sade Zhang. Dessa exceptionella ytor har själva vad Zhang kallar" exceptionella sadelpunkter, "den mest exceptionella punkten bland alla andra exceptionella punkter på ytorna. Dessa sadelpunkter har ökat önskat beteende jämfört med de andra exceptionella punkterna.

Teamets experimentella apparat kombinerar två system:ett specialiserat kretskort som begränsar mikrovågor och en mikroskala magnetisk sfär av yttriumjärngranat, som producerar resonanser som kallas "magnoner".

"Magnoner är kvantiserade kvasipartiklar associerade med spinnvågor, en kollektiv excitation av den magnetiska ordningen i ett kristallgitter, "Förklarar Zhang." Vad som är viktigt här är att förändring av magnetiseringen vid ett tillfälle i gallret påverkar de närliggande platserna som en våg som krusar genom ytan av en lugn damm. "

Teamet använde en magneto-elektro-optisk spektrometer vid CNM för att mäta responsen på olika inställningar av foton-magnon-kopplingsstyrkan och positionen i deras apparater, plottade sedan resultaten i tredimensionella grafer av en exceptionell yta.

Även om den är mycket abstrakt och matematisk, denna avgörande upptäckt kan få verklig inverkan på informationsbehandling. Som ett av flera möjliga exempel, informationsöverföring kräver att buller inte korrumperar nollorna och de som överförs, och exceptionell ytkartläggning kan bidra till att ge ett mycket större skydd för denna process.

"Vårt arbete öppnar också spännande nya möjligheter för kvantinformationsbehandling med mycket önskvärda funktioner, "Noterade Zhang.