Forskare från Lancaster University och Radboud University Nijmegen har lyckats generera fortplantande spinnvågor på nanoskala och upptäckt en ny väg för att modulera och förstärka dem.
Deras upptäckt, publicerad i Nature , skulle kunna bana väg för utvecklingen av spridningsfria kvantinformationsteknologier. Eftersom spinnvågorna inte involverar elektriska strömmar kommer dessa chips att vara fria från tillhörande energiförluster.
Den snabbt växande populariteten för artificiell intelligens kommer med ett ökande önskemål om snabba och energieffektiva datorenheter och efterlyser nya sätt att lagra och bearbeta information. De elektriska strömmarna i konventionella enheter lider av energiförluster och efterföljande uppvärmning av miljön.
Ett alternativ för de "förlustiga" elektriska strömmarna är att lagra och bearbeta information i vågor, med hjälp av elektronernas spinn istället för deras laddningar. Dessa snurr kan ses som de elementära enheterna av magneter.
Huvudförfattaren Dr. Rostislav Mikhaylovskiy från Lancaster University sa:"Vår upptäckt kommer att vara avgörande för framtida spin-wave-baserad datoranvändning. Spin-vågor är en tilltalande informationsbärare eftersom de inte involverar elektriska strömmar och därför inte lider av resistiva förluster."
Det har redan varit känt i många år att spins kan sparkas ur sin jämviktsorientering. Efter denna störning börjar snurren att precessera (dvs. rotera) runt sin jämviktsposition. I magneter är angränsande snurr extremt starkt kopplade, vilket bildar en nettomagnetisering. På grund av denna koppling kan spinnprecessionen fortplanta sig i det magnetiska materialet och ge upphov till en spinnvåg.
"Att observera ickelinjär omvandling av koherenta fortplantningsmagnoner i nanoskala, vilket är en förutsättning för all praktisk magnonbaserad databehandling, har eftersträvats av många grupper över hela världen i mer än ett decennium. Därför är vårt experiment ett landmärke för spinnvågsstudier, som har potentialen att öppna en helt ny forskningsriktning om ultrasnabb koherent magnonics med ett öga på utvecklingen av spridningsfria kvantinformationsteknologier."
Forskarna har använt det faktum att de högsta möjliga frekvenserna av spinnrotationerna kan hittas i material där intilliggande spinn lutar i förhållande till varandra.
För att excitera en sådan snabb spindynamik använde de en mycket kort ljuspuls, vars varaktighet är kortare än spinnvågens period, dvs mindre än en biljondels sekund. Tricket för att generera den ultrasnabba spinnvågen på nanoskala ligger i ljuspulsens fotonenergi.
Studiematerialet uppvisar extremt stark absorption vid ultravioletta (UV) fotonenergier, vilket lokaliserar excitationen i ett mycket tunt område på bara några tiotals nanometer från gränssnittet, vilket tillåter spinnvågor med terahertz (en biljon Hertz) frekvenser och sub-mikrometer våglängder att framträda.
Dynamiken hos sådana spinnvågor är i sig olinjär, vilket innebär att vågorna med olika frekvenser och våglängder kan omvandlas till varandra.
Forskarna har nu för första gången insett denna möjlighet i praktiken. De uppnådde detta genom att excitera systemet inte med bara en, utan med två intensiva laserpulser, åtskilda av en kort tidsfördröjning.
Förste författare Ruben Leenders, tidigare Ph.D. student vid Lancaster University, sa:"I ett typiskt excitationsexperiment med en enda puls skulle vi helt enkelt förvänta oss att de två spinnvågorna skulle störa varandra som alla vågor gör. Men genom att variera tidsfördröjningen mellan de två pulserna fann vi att detta superposition av de två vågorna håller inte."
Teamet förklarade observationerna genom att överväga kopplingen av den redan exciterade spinnvågen med den andra ljuspulsen. Resultatet av denna koppling är att när snurren redan roterar, ger den andra ljuspulsen en extra kick till snurren.
Styrkan och riktningen för denna kick beror på tillståndet för avböjningen av snurren vid den tidpunkt då denna andra ljuspuls anländer. Denna mekanism möjliggör kontroll över egenskaperna hos spinnvågorna såsom deras amplitud och fas, helt enkelt genom att välja lämplig tidsfördröjning mellan excitationerna.
