Velen van ons zwaaien elke dag door poorten - punten van binnenkomst en uitgang naar een ruimte zoals een tuin, park of metro. Elektronica heeft ook poorten. Deze regelen de informatiestroom van de ene plaats naar de andere door middel van een elektrisch signaal. In tegenstelling tot een tuinpoort, deze poorten vereisen controle over hun opening en sluiting vele malen sneller dan een oogwenk.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Pritzker School of Molecular Engineering van de University of Chicago hebben een unieke manier bedacht om een ​​effectieve poortwerking te bereiken met een vorm van informatieverwerking die elektromagnonics wordt genoemd. Hun cruciale ontdekking maakt realtime controle mogelijk van de informatieoverdracht tussen microgolffotonen en magnonen. En het zou kunnen resulteren in een nieuwe generatie klassieke elektronische en kwantumsignaalapparaten die in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt, zoals signaalomschakeling, low-power computing en kwantumnetwerken.

Microgolffotonen zijn elementaire deeltjes die de elektromagnetische golven vormen die worden gebruikt in, bijvoorbeeld, draadloze communicatie. Magnons zijn de deeltjesachtige vertegenwoordigers van 'spingolven'. Dat is, golfachtige verstoringen in een geordende reeks microscopisch uitgelijnde spins die voorkomen in bepaalde magnetische materialen.

"Veel onderzoeksgroepen combineren verschillende soorten informatiedragers voor informatieverwerking, " zei Xufeng Zhang, assistent-wetenschapper in het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science User Facility in Argonne. "Zulke hybride systemen zouden praktische toepassingen mogelijk maken die niet mogelijk zijn met informatiedragers van één type."

"Signaalverwerking die spingolven en microgolven koppelt, is een hoogdravende handeling, " voegde Zhang toe. "Het signaal moet coherent blijven ondanks energiedissipaties en andere externe effecten die het systeem incoherentie dreigen te brengen."

Coherente poortbediening (besturing aan, uit en de duur van de magnon-foton-interactie) is een lang gezocht doel geweest in hybride magnonische systemen. In principe, dit kan worden bereikt door snelle afstemming van energieniveaus tussen het foton en het magnon. Echter, een dergelijke afstemming was afhankelijk van het veranderen van de geometrische configuratie van het apparaat. Dat vereist doorgaans veel langer dan de levensduur van de magnon - in de orde van 100 nanoseconden (honderd miljardste van een seconde). Dit gebrek aan een snel afstemmechanisme voor interactie tussen magnons en fotonen heeft het onmogelijk gemaakt om real-time poortcontrole te bereiken.

Met behulp van een nieuwe methode met afstemming op energieniveau, het team was in staat om snel te schakelen tussen magnonische en fotonische toestanden gedurende een periode die korter was dan de levensduur van magnon of foton. Deze periode is slechts 10 tot 100 nanoseconden.

"We beginnen met het afstemmen van het foton en magnon met een elektrische puls, zodat ze hetzelfde energieniveau hebben, "zei Zhang. "Dan, de informatie-uitwisseling begint tussen hen en gaat door totdat de elektrische puls wordt uitgeschakeld, die het energieniveau van de magnon verschuift van dat van het foton."

Door dit mechanisme, Zhang zei, het team kan de informatiestroom zo regelen dat het allemaal in het foton zit of allemaal in het magnon of ergens daartussenin. Dit wordt mogelijk gemaakt door een nieuw ontwerp van het apparaat waarmee nanoseconden kunnen worden afgestemd op een magnetisch veld dat het magnon-energieniveau regelt. Deze afstembaarheid maakt de gewenste coherente poortwerking mogelijk.

Dit onderzoek wijst op een nieuwe richting voor elektromagnetische technologie. Het belangrijkste is, het gedemonstreerde mechanisme werkt niet alleen in het klassieke elektronische regime, maar kan ook gemakkelijk worden toegepast voor het manipuleren van magnonische toestanden in het kwantumregime. Dit opent mogelijkheden voor op elektromagnetische technologie gebaseerde signaalverwerking in kwantumcomputers, communicatie en waarneming.

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het DOE Office of Basic Energy Sciences. Het werd gemeld in Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper getiteld "Coherente poortoperaties in hybride magnonics."