Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zijn in veel opzichten uitzonderlijk. In samenwerking met het Imperial College London, bijvoorbeeld, ze hebben onderzoek gedaan naar een fenomeen in informatieverwerkingssystemen dat 'uitzonderlijke punten' wordt genoemd. Dit fenomeen heeft toepassingen gevonden in de magnetron, optische en mechanische technieken.

"Ons team heeft experimenteel een uitzonderlijk oppervlak gedetecteerd, een continu driedimensionaal gebogen oppervlak van uitzonderlijke punten, " zei Xufeng Zhang, die dit internationale onderzoeksproject leidde en als assistent-wetenschapper werkt bij het Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Eerder onderzoek door anderen had uitzonderingspunten ontdekt, en daaropvolgende onderzoekers hadden lijnen van gemeten uitzonderlijke punten uitgezet, maar dit is de eerste keer dat onderzoekers oppervlakken hebben geplot.

"Onze oorspronkelijke bijdrage is om driedimensionale oppervlakken van uitzonderlijke punten in kaart te hebben gebracht op basis van experimentele metingen, en het resultaat is opvallend mooie grafieken." — Xufeng Zhang, assistent-wetenschapper bij het Center for Nanoscale Materials

"Denk aan twee systemen, die elk hun eigen energieverlies aan het milieu hebben, " legde Zhang uit. "Stel je ook voor dat deze systemen gekoppeld zijn zodat ze onderling energie kunnen uitwisselen."

Als deze systemen ver uit elkaar liggen, er is weinig interactie tussen hen, en energiegerelateerde berekeningen leveren twee onafhankelijke oplossingen op die alleen verband houden met hun interacties met de omgeving. Als ze elkaar naderen en met elkaar omgaan, de systemen komen in een overgangsfase waarin er maar één oplossing is. Dat wordt gezien als een uitzonderlijk punt. Naarmate de systemen nog dichterbij komen, het uitzonderlijke punt verdwijnt, en de berekeningen leveren paren van "hybride oplossingen, " een mengsel van de oplossingen voor elk systeem.

Een mogelijke toepassing van uitzonderlijke punten zijn sensoren met een sterk verhoogde gevoeligheid voor verstoringen zoals kleine fluctuaties in een magnetisch veld. Een andere toepassing is modusconversie, wat toelaat, bijvoorbeeld, de signalen van de twee partijen in een telefoongesprek moeten in afzonderlijke modi worden bewaard, waardoor in wezen elke ongewenste interferentie wordt geëlimineerd.

"Onze oorspronkelijke bijdrage is om driedimensionale oppervlakken van uitzonderlijke punten in kaart te hebben gebracht op basis van experimentele metingen, en het resultaat is opvallend mooie grafieken, " zei Zhang. Deze uitzonderlijke oppervlakken zelf hebben wat Zhang "uitzonderlijke zadelpunten noemt, " het meest uitzonderlijke punt onder alle andere uitzonderlijke punten op de oppervlakken. Deze zadelpunten hebben het gewenste gedrag verhoogd ten opzichte van de andere uitzonderlijke punten.

Het experimentele apparaat van het team combineert twee systemen:een gespecialiseerde printplaat die microgolven beperkt en een microschaal magnetische bol van yttrium-ijzer-granaat, die resonanties produceert die 'magnons' worden genoemd.

"Magnons zijn gekwantiseerde quasideeltjes geassocieerd met spingolven, een collectieve excitatie van de magnetische ordening in een kristalrooster, " legde Zhang uit. "Wat hier belangrijk is, is dat het veranderen van de magnetisatie op een punt in het rooster de aangrenzende locaties beïnvloedt als een golf die door het oppervlak van een kalme vijver kabbelt."

Het team gebruikte een magneto-elektro-optische spectrometer bij de CNM om de respons op verschillende afstemmingen van de foton-magnon-koppelingssterkte en positie in hun apparaat te meten, vervolgens de resultaten uitgezet in driedimensionale grafieken van een uitzonderlijk oppervlak.

Hoewel zeer abstract en wiskundig, deze cruciale ontdekking zou een reële impact kunnen hebben op de informatieverwerking. Als een van de vele mogelijke voorbeelden, informatieoverdracht vereist dat ruis de verzonden nullen en enen niet bederft, en uitzonderlijke oppervlaktekartering zou kunnen helpen om dit proces veel beter te beschermen.

"Ons werk opent ook spannende nieuwe mogelijkheden voor de verwerking van kwantuminformatie met zeer gewenste functionaliteiten, ’ merkte Zhang op.