Eftersom kraven på datorresurser fortsätter att öka snabbt, letar forskare och ingenjörer efter sätt att bygga snabbare system för att bearbeta information. En möjlig lösning är att använda mönster av elektronsnurr, kallade spinnvågor, för att överföra och bearbeta information mycket snabbare än i konventionella datorer. Hittills har en stor utmaning varit att manipulera dessa ultrasnabba spinnvågor för att göra användbart arbete.
I ett betydande steg framåt har forskare från University of Texas i Austin och MIT utvecklat en banbrytande metod för att exakt manipulera dessa ultrasnabba spinnvågor med hjälp av skräddarsydda ljuspulser. Deras resultat beskrivs i två studier i Nature Physics , ledd av MIT doktorand Zhuquan Zhang, postdoktor vid University of Texas i Austin, Frank Gao, MIT:s professor i kemi Keith Nelson och UT Austin biträdande professor i fysik Edoardo Baldini.
En nyckelkomponent som ligger bakom våra smartphones, internet och cloud computing är magnetisk datainspelningsteknik för att lagra och hämta stora mängder information. Denna teknologi bygger på manipulering av magnetiska spinntillstånd (upp och ner) i ferromagnetiska material, som representerar de binära bitarna "0" och "1". Dessa snurr är små magneter, vars inriktning bestämmer materialets magnetiska egenskaper.
När forskare träffar en uppsättning atomer i dessa material med ljus, får det deras snurr att vingla i ett mönster som krusar ut genom närliggande atomer som vågor på en damm när en sten faller in. Det här är en spinnvåg.
Till skillnad från dessa konventionella datalagringsmaterial har en speciell klass av magnetiska material som kallas antiferromagneter snurr riktade i motsatta riktningar. Spinnvågor i dessa material är vanligtvis mycket snabbare än deras motsvarigheter i ferromagneter och har därför potential för framtida arkitekturer för höghastighetsinformationsbehandling.
Forskarna experimenterade med en antiferromagnet som kallas orthoferrit. Detta material är värd för ett par distinkta spinnvågor som vanligtvis inte pratar med varandra. Genom att använda terahertz (THz) ljus, som är osynligt för det mänskliga ögat vid extrema infraröda frekvenser, lyckades forskarna få dessa spinnvågor att interagera.
I en artikel visade de att användning av intensiva THz-fält för att excitera en spin-våg vid en viss frekvens kan initiera en annan spin-våg med en högre frekvens, ungefär som de harmoniska övertonerna som naturligt uppstår när en gitarrsträng plockas.
"Detta överraskade oss verkligen," sa Zhang. "Det innebar att vi olinjärt kunde styra energiflödet inom dessa magnetiska system."
I den andra artikeln fann de att exciteringen av två olika spinnvågor kan resultera i en ny, hybrid spinnvåg. Baldini sa att detta är särskilt spännande eftersom det kan hjälpa till att driva tekniken från spintronics till en ny värld som kallas magnonics. Inom spintronik transporteras information i individuella elektroners spinn. I magnonik transporteras information i spinnvågor (även känd som magnoner).
"Här, till skillnad från med spintronics, använder du dessa kollektiva typer av spinnvågor som involverar många, många elektronsnurr samtidigt," sa Baldini. "Det kan leda till extremt snabba tidsskalor som inte går att nå inom spintronics och även flytta information på ett mer effektivt sätt."
För att utföra detta banbrytande arbete utvecklade forskarna en sofistikerad spektrometer för att avslöja den ömsesidiga kopplingen mellan distinkta spinnvågor och för att avslöja deras underliggande symmetrier.
"Till skillnad från synligt ljus som lätt kan ses av ögat är THz-ljus utmanande att upptäcka", sa Gao. "Dessa experiment skulle annars vara omöjliga utan teknikutvecklingen, som gjorde det möjligt för oss att mäta THz-signaler med bara en enda ljuspuls."
Mer information: Zhuquan Zhang et al, Terahertz-fältdriven magnon-uppkonvertering i en antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7
Zhuquan Zhang et al, Terahertz fältinducerad olinjär koppling av två magnon-moder i en antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3
Tillhandahålls av University of Texas i Austin
