Många av oss svänger genom grindar varje dag – ingångs- och utgångspunkter till ett utrymme som en trädgård, park eller tunnelbana. Elektronik har också grindar. Dessa styr informationsflödet från en plats till en annan med hjälp av en elektrisk signal. Till skillnad från en trädgårdsport, dessa portar kräver kontroll över att de öppnas och stängs många gånger snabbare än ett ögonblick.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering har tagit fram ett unikt sätt att uppnå effektiv grinddrift med en form av informationsbehandling som kallas elektromagnonic. Deras avgörande upptäckt möjliggör kontroll i realtid av informationsöverföring mellan mikrovågsfotoner och magnoner. Och det kan resultera i en ny generation av klassiska elektroniska och kvantsignalenheter som kan användas i olika applikationer som signalväxling, lågeffektsdatorer och kvantnätverk.

Mikrovågsfotoner är elementarpartiklar som bildar de elektromagnetiska vågorna som används i, till exempel, trådlös kommunikation. Magnoner är de partikelliknande representanterna för "snurrvågor". Det är, vågliknande störningar i en ordnad uppsättning mikroskopiskt inriktade spinn som uppstår i vissa magnetiska material.

"Många forskargrupper kombinerar olika typer av informationsbärare för informationsbehandling, " sa Xufeng Zhang, biträdande forskare vid Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility i Argonne. "Sådana hybridsystem skulle möjliggöra praktiska tillämpningar som inte är möjliga med informationsbärare av en enda typ."

"Signalbehandling som kopplar samman spinnvågor och mikrovågor är en högtrådshandling, ", tillade Zhang. "Signalen måste förbli sammanhängande trots energiförluster och andra yttre effekter som hotar att kasta systemet i osammanhängande."

Koherent grinddrift (kontroll över på, av och varaktigheten av magnon-foton-interaktionen) har varit ett länge eftertraktat mål i hybrida magnoniska system. I princip, detta kan uppnås genom snabb inställning av energinivåer mellan fotonen och magnon. Dock, sådan inställning har varit beroende av att ändra enhetens geometriska konfiguration. Det kräver vanligtvis mycket längre tid än magnons livslängd - i storleksordningen 100 nanosekunder (en hundra miljarddels sekund). Denna avsaknad av en snabb inställningsmekanism för interagerande magnoner och fotoner har gjort det omöjligt att uppnå någon realtidsgrindningskontroll.

Genom att använda en ny metod som involverar inställning av energinivå, teamet kunde snabbt växla mellan magnoniska och fotoniska tillstånd under en period som var kortare än livstiden för magnon eller foton. Denna period är bara 10 till 100 nanosekunder.

"Vi börjar med att ställa in fotonen och magnonen med en elektrisk puls så att de har samma energinivå, " sa Zhang. "Då, informationsutbytet börjar mellan dem och fortsätter tills den elektriska pulsen stängs av, som flyttar energinivån för magnonen bort från fotonen."

Genom denna mekanism, Zhang sa, teamet kan kontrollera informationsflödet så att allt är i fotonen eller allt i magnonen eller någon plats däremellan. Detta möjliggörs av en ny enhetsdesign som tillåter nanosekundsinställning av ett magnetfält som styr magnons energinivå. Denna inställning tillåter den önskade koherenta grindoperationen.

Denna forskning pekar på en ny riktning för elektromagnonic. Viktigast, den demonstrerade mekanismen fungerar inte bara i den klassiska elektronikregimen, men kan också lätt användas för att manipulera magnoniska tillstånd i kvantregimen. Detta öppnar möjligheter för elektromagnonikbaserad signalbehandling inom kvantberäkning, kommunikation och avkänning.

Denna forskning stöddes delvis av DOE Office of Basic Energy Sciences. Det rapporterades i Fysiska granskningsbrev , i en artikel med titeln "Coherent gate operations in hybrid magnonics."