Som fans som blåser i synk, vissa magnetiska material kan uppvisa intressanta energetiska egenskaper. För att hitta nya sätt att överföra och bearbeta information, forskare har börjat utforska beteendet hos elektroniska och magnetiska spinn, speciellt deras resonansexitationer, som informationsbärare. I vissa fall, forskare har identifierat nya fenomen som kan hjälpa till att så småningom informera om skapandet av nya enheter för spintroniska och kvantapplikationer.

I en ny studie ledd av det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har avslöjat ett nytt sätt på vilket excitationerna av magnetiska spinn i två olika tunna filmer kan kopplas starkt till varandra genom deras gemensamma gränssnitt. Denna dynamiska koppling representerar en sorts hybridsystem som får allt större uppmärksamhet från forskare som är intresserade av kvantinformationssystem.

"Ett sätt att tänka på det är som om du har två par massor fästa vid fjädrar, " sa Argonne postdoktor och första författare Yi Li. "Vi vet att varje massa som är ansluten till en fjäder kommer att svänga med jämna mellanrum när den träffas från utsidan. Men om vi förbinder de två massorna med en tredje fjäder, då kommer svängningen av en massa också att utlösa svängningen av den andra massan, som kan användas för att utbyta information mellan fjädrarna. Rollen som den tredje fjädern här spelas av gränssnittsutbyteskopplingen mellan de två magnetiska skikten."

Med lite smart teknik, forskare kan ställa in den fria svängningsfrekvensen för de två lagren av magnetiska spinn – "massorna" – till att vara identiska, där de är mest gynnsamma att koppla ihop. Dessutom, de visar att de två systemen kan vara "starkt" kopplade, ett tillstånd som är viktigt för att upprätthålla koherens och kan inspirera till tillämpningar inom kvantinformation.

Förutom tillståndet med stark koppling, forskare har hittat ytterligare en ny effekt i det magnetiska dubbelskiktet som har en inverkan på koherensen i deras excitationer:en sida kan pumpa energi, kallas spinnström, in i den andra. Ett anmärkningsvärt och spännande beteende när det gäller den nya dynamiska kopplingen involverar utbytet av energi mellan de två lagren i det magnetiska materialet.

Enligt materialforskaren och studieförfattaren Axel Hoffmann vid University of Illinois, varje lager har en viss tidslängd under vilken magnetiseringsdynamiken vanligtvis oberoende av varandra kommer att kvarstå. Dock, med införandet av spinnströmmen som skjuter snurr i en viss riktning, det kan överföras tillräckligt med energi så att magnetiseringsdynamiken varar avsevärt längre i ett av lagren.

"Vi visste att det fanns en stel typ av koppling, men faktum är att den andra dynamiska kopplingen också är viktig – och tillräckligt viktig så att vi inte kan försumma den, " sa Hoffmann. "För kvantinformationssystem, namnet på spelet är att ta lite excitation och manipulera det på något sätt eller överföra det till en annan excitation, och det är ganska mycket kärnan i vad vi gör här."

"Det finns en inneboende magnetisk interaktion som kopplar samman dessa två lager, " La Li till. "Vi kan applicera ett magnetfält, och sedan kan vi avgöra om dessa två skikt pumpar i fas eller ur fas. Sådana kontrollerade interaktioner är i princip vad människor gör för bearbetning av kvantinformation."

Enligt Hoffmann, experimentet började med identifieringen av två magnetiska system som forskarna visste var kopplade samman. Genom att försöka göra kopplingen så stark som den kan jämföras med de individuella excitationerna i materialet, forskarna kunde se ytterligare detaljer om hur spinnpumpningsenergiöverföringen kom till.

Ett papper baserat på studien, "Koherent spinnpumpning i ett starkt kopplat magnon-magnon hybridsystem, " dök upp i numret av 17 mars Fysiska granskningsbrev . Andra författare till studien inkluderade Argonnes Zhizhi Zhang, Jonathan Gibbons, John Pearson, Valentine Novosad, och Wei Zhang; Paul Haney, Mark Stiles, och Vivek Amin från National Institute of Standards and Technology; Wei Cao och William Bailey från Columbia University; och Joseph Sklenar från Wayne State University.