Elektronens spinn är naturens perfekta kvantbit, som kan utöka informationslagringsområdet bortom "ett" eller "noll". Att utnyttja elektronens spinnfrihetsgrad (möjliga spinntillstånd) är ett centralt mål för kvantinformationsvetenskapen.
Nya framsteg från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forskare Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao och Fanghao Meng har visat potentialen hos magnonvågpaket – kollektiva excitationer av elektronspin – att transportera kvantinformation över betydande avstånd i en klass av material som kallas antiferromagneter.
Deras arbete ökar den konventionella förståelsen om hur sådana excitationer sprids i antiferromagneter. Den kommande tidsåldern för kvantteknologier – datorer, sensorer och andra enheter – beror på att kvantinformation överförs med trohet över avstånd.
Med deras upptäckt, rapporterade i en artikel publicerad i Nature Physics , hoppas Orenstein och medarbetare ha tagit ett steg närmare dessa mål. Deras forskning är en del av bredare ansträngningar vid Berkeley Lab för att främja kvantinformation genom att arbeta över kvantforskningens ekosystem, från teori till tillämpning, för att tillverka och testa kvantbaserade enheter och utveckla mjukvara och algoritmer.
Elektronspinn är ansvariga för magnetism i material och kan ses som små stångmagneter. När närliggande snurr är orienterade i alternerande riktningar blir resultatet antiferromagnetisk ordning, och arrangemanget producerar ingen nettomagnetisering.
För att förstå hur magnonvågpaket rör sig genom ett antiferromagnetiskt material, använde Orensteins grupp par av laserpulser för att störa den antiferromagnetiska ordningen på ett ställe medan de sonderade på en annan plats, vilket gav ögonblicksbilder av deras utbredning. Dessa bilder avslöjade att magnonvågpaket fortplantar sig i alla riktningar, som krusningar på en damm från en tappad sten.
Berkeley Lab-teamet visade också att magnonvågspaket i antiferromagneten CrSBr (kromsulfidbromid) sprider sig snabbare och över längre avstånd än vad de befintliga modellerna skulle förutsäga. Modellerna antar att varje elektronspin bara kopplas till sina grannar. En analogi är ett system av sfärer kopplade till nära grannar med fjädrar; att förskjuta en sfär från dess föredragna position producerar en våg av förskjutning som sprider sig med tiden.
Överraskande nog förutsäger sådana interaktioner en fortplantningshastighet som är storleksordningar långsammare än vad teamet faktiskt observerade.
"Men kom ihåg att varje snurrande elektron är som en liten stångmagnet. Om vi föreställer oss att ersätta sfärerna med små stångmagneter som representerar de snurrande elektronerna, förändras bilden helt," sa Orenstein. "Nu, istället för lokala interaktioner, kopplas varje barmagnet till varannan genom hela systemet genom samma långdistansinteraktion som drar en kylskåpsmagnet till kylskåpsdörren."
Mer information: Yue Sun et al, Dipolär spinnvågspakettransport i en van der Waals antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02387-2
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
