Een team van onderzoekers van de Universiteit Utrecht, de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie en de Universiteit van Konstanz hebben onlangs een nieuwe methode voorgesteld om de magnon-coherentie in solid-state apparaten te bepalen. hun studie, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laat zien dat kruiscorrelaties van pure spinstromen geïnjecteerd door een ferromagneet in twee metalen draden genormaliseerd door hun dc-waarde het gedrag van de tweede-orde optische coherentiefunctie repliceren, aangeduid als g ⁽²⁾ , wanneer magnons ver van evenwicht worden gedreven.

"Beschouw een grote zaal vol mensen die een feestje geeft, "Akasha Kamra, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Deze mensen kunnen zich ofwel gedragen als in een nachtclub, ongecoördineerd en met chaotische bewegingen tegen elkaar aan botsen, of de feestgangers kunnen worden aangestuurd door een gemeenschappelijke gastheer, zoals op een huwelijksfeest. Zo'n 'gecondenseerde' mensenmassa beweegt zich snel voort zonder tegen elkaar aan te botsen."

Kamra trekt een analogie tussen de partijsituaties die hij beschreef en magnons, kwantumdeeltjes die overeenkomen met een specifieke afname in magnetische sterkte, reizen als een eenheid door een magnetische substantie. In zijn analogie er zou een ongecoördineerd "feest" plaatsvinden als magnons zich in een "thermische" toestand bevinden, terwijl ze gecoördineerd zijn als ze zich in een "coherente" of "gecomprimeerde" staat bevinden. De gecoördineerde verplaatsing van gasten in het tweede type feest, anderzijds, zou overeenkomen met een superfluïde stroom, wat een manifestatie is van een opmerkelijke staat van materie:het condensaat.

"Om verschillende fundamentele wetenschappelijke en technologische redenen, het magnoncondensaat is een intrigerende en waardevolle entiteit, en de belangrijkste doorbraak van ons artikel is dat we een methode voorstellen om het ondubbelzinnig te detecteren, ' zei Kamra.

Als je twee deuren zou openen naar een grote kamer met veel mensen en bijhoudt hoeveel mensen de kamer binnen een bepaald tijdvenster via elke deur verlaten, ze zou kunnen identificeren in welke staat deze mensen zich bevinden. Met andere woorden, door statistieken te vergelijken van mensen die beide deuren verlaten, men zou kunnen bepalen of de mensen zich ongecoördineerd of gecoördineerd gedragen.

"Opmerkelijk en contra-intuïtief, dit kan niet worden bereikt met één deur, " legde Kamra uit. "Dit is waar de analogie tussen magnons (de kwantumdeeltjes van spingolven in magneten) en mensen noodzakelijkerwijs tekortschiet:magnons volgen de vreemde wetten van de kwantumwereld en gehoorzamen niet aan de regels van onze klassieke, alledaags gebied."

Het werk van Kamra en zijn collega's is geïnspireerd op een klassiek experiment met fotonen, de kwantumdeeltjes waaruit licht bestaat, waarbij fotonen van dezelfde lichtbundel op twee verschillende locaties worden gedetecteerd. Door de statistieken van detectietijden voor deze fotonen op twee locaties te vergelijken, kunnen onderzoekers directe informatie verkrijgen over de toestand van de lichtstraal (d.w.z. identificeren of deze thermisch of coherent is).

"Ons doel was om een ​​vergelijkbare manier te vinden en voor te stellen om te detecteren of een magnonbundel coherent is of niet, "Zei Kamra. "Omgaan met een heel ander medium (een magnetisch materiaal voor magnons in tegenstelling tot vrije ruimte voor licht), we zijn erin geslaagd een experimenteel haalbare manier te identificeren om deze magnon-coherentiedetectie te bereiken via meting van spinstroom-kruiscorrelaties."

De onderzoekers stellen voor om een ​​magnetische laag aan te sluiten, die magnonen herbergt, met twee verschillende niet-magnetische metalen draden. De magnonen injecteren spinstroom in beide metalen draden, die kunnen worden gedetecteerd via de bijbehorende, inverse spin Hall-effect-gemedieerde laadstroom.

"We stellen voor om de gelijkstroom-spinstromen in de twee afleidingen te meten, naast de kruiscorrelatie van de twee spinstromen, " Zei Kamra. "Een verhouding van de kruiscorrelatie tot het product van de twee spinstromen komt uit op 1 voor een perfect coherent magnonsysteem. Als de verhouding afwijkt van 1, het dient als een maat voor en maakt het mogelijk om de samenhang in het magnon-systeem te kwantificeren."

De belangrijkste bevinding die Kamra en zijn collega's hebben verzameld, is dat het gevestigde mechanisme en de methode voor het detecteren van de coherentie van een lichtstraal eigenlijk werkt voor totaal verschillende kwantumdeeltjes, zoals magnonen, ook. Bij het toepassen van deze methode op magnons, echter, men moet rekening houden met het feit dat systemen die deze deeltjes bevatten meestal erg klein zijn (minder dan een millimeter lang) in vergelijking met lichtstralen, die zich gewoonlijk over meerdere meters of kilometers uitstrekken.

"Met dit onderscheid in gedachten, we hebben een methode voorgesteld om spinstroom-kruiscorrelaties te gebruiken voor coherentiedetectie, "Zei Kamra. "Ons werk toont ook aan dat hetzelfde huidige idee van kruiscorrelaties kan worden gebruikt om de coherentie te meten voor het hele scala van bosonische excitaties, zoals fononen en excitonen, in solid-state-systemen, het openen van spannende perspectieven voor meerdere onderzoeksgemeenschappen."

De bevindingen die de onderzoekers hebben verzameld, leveren een belangrijke bijdrage aan de kwantummagnonics, een onderzoeksgebied dat de kwantumaard van magnonen wil verkennen en exploiteren. Het bereiken van zo'n robuuste detectie van magnon-coherentie is een grote sprong voorwaarts, omdat het de weg zou kunnen effenen voor de ontwikkeling van concepten en apparaten op basis van spin-superstromen en superfluïditeit.

"Ons huidige voorstel is gewoon een eerste klein venster in de opwindende wereld van kwantummagnonics, "Zei Kamra. "Dit venster laat zien hoe je met magneten kunt bereiken wat al met licht is bereikt. We werken nu aan het verder verkennen van het potentieel van de kruiscorrelatietechniek en het onderzoeken van fenomenen die verder gaan dan de standaard bosonische eigenschappen van licht."

© 2019 Wetenschap X Netwerk