Als fans die synchroon blazen, bepaalde magnetische materialen kunnen interessante energetische eigenschappen vertonen. Om nieuwe manieren te vinden om informatie te verzenden en te verwerken, wetenschappers zijn begonnen met het onderzoeken van het gedrag van elektronische en magnetische spins, in het bijzonder hun resonerende excitaties, als informatiedragers. In sommige gevallen, onderzoekers hebben nieuwe fenomenen geïdentificeerd die uiteindelijk zouden kunnen helpen bij het creëren van nieuwe apparaten voor spintronische en kwantumtoepassingen.

In een nieuwe studie onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers hebben een nieuwe manier ontdekt waarop de excitaties van magnetische spins in twee verschillende dunne films sterk aan elkaar kunnen worden gekoppeld via hun gemeenschappelijke interface. Deze dynamische koppeling vertegenwoordigt een soort hybride systeem dat steeds meer aandacht krijgt van wetenschappers die geïnteresseerd zijn in kwantuminformatiesystemen.

"Een manier om erover na te denken is alsof je twee paar massa's hebt bevestigd aan veren, " zei Argonne, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Yi Li. "We weten dat elke massa die is verbonden met een veer periodiek zal oscilleren wanneer deze van buitenaf wordt geraakt. Maar als we de twee massa's verbinden met een derde veer, dan zal de oscillatie van de ene massa ook de oscillatie van de andere massa veroorzaken, waarmee informatie tussen de veren kan worden uitgewisseld. De rol van de derde veer wordt hier gespeeld door de uitwisselingskoppeling tussen de twee magnetische lagen."

Met wat slimme techniek, onderzoekers kunnen de vrije oscillatiefrequentie van de twee lagen magnetische spins - de "massa's" - identiek instellen, waar ze het gunstigst zijn om te paren. In aanvulling, ze laten zien dat de twee systemen "sterk" kunnen worden gekoppeld, een toestand die belangrijk is om de samenhang te behouden en die toepassingen in kwantuminformatie kan inspireren.

Naast de sterke koppelingstoestand, onderzoekers hebben een bijkomend nieuw effect gevonden in de magnetische dubbellaag dat een impact heeft op de coherentie van hun excitaties:de ene kant kan energie pompen, spinstroom genoemd, in de andere. Een opmerkelijk en intrigerend gedrag met betrekking tot de nieuwe dynamische koppeling betreft de uitwisseling van energie tussen de twee lagen in het magnetische materiaal.

Volgens materiaalwetenschapper en studieauteur Axel Hoffmann van de Universiteit van Illinois, elke laag heeft een bepaalde tijdsduur waarover de magnetisatiedynamiek gewoonlijk onafhankelijk zal voortduren. Echter, met de introductie van de spinstroom die spins in een bepaalde richting duwt, er kan voldoende energie worden overgedragen zodat de magnetisatiedynamiek aanzienlijk langer duurt in een van de lagen.

"We wisten dat er een rigide soort koppeling bestond, maar het feit is dat de andere dynamische koppeling ook belangrijk is - en belangrijk genoeg zodat we die niet kunnen verwaarlozen, " Hoffmann zei. "Voor kwantuminformatiesystemen, de naam van het spel is om wat opwinding te nemen en het op de een of andere manier te manipuleren of over te brengen naar een andere opwinding, en dat is zo'n beetje de kern van wat we hier doen."

"Er is een intrinsieke magnetische interactie die deze twee lagen koppelt, ' voegde Li eraan toe. 'We kunnen een magnetisch veld aanleggen, en dan kunnen we bepalen of deze twee lagen in fase of uit fase pompen. Dergelijke gecontroleerde interacties zijn in principe wat mensen doen voor de verwerking van kwantuminformatie."

Volgens Hofmann het experiment begon met de identificatie van twee magnetische systemen waarvan de onderzoekers wisten dat ze aan elkaar gekoppeld waren. Door te proberen de koppeling zo sterk mogelijk te maken, vergeleken met de individuele excitaties in het materiaal, de onderzoekers waren in staat om het extra detail te zien van hoe de energieoverdracht door spinpompen tot stand kwam.

Een paper gebaseerd op de studie, "Coherent spinpompen in een sterk gekoppeld magnon-magnon hybride systeem, " verscheen in het nummer van 17 maart van Fysieke beoordelingsbrieven . Andere auteurs van de studie waren Zhizhi Zhang van Argonne, Jonathan Gibbons, John Pearson, Valentijn Novosad, en Wei Zhang; Paul Haney, Mark Stiles, en Vivek Amin van het National Institute of Standards and Technology; Wei Cao en William Bailey van Columbia University; en Joseph Slenar van de Wayne State University.