Hun ontdekking, gepubliceerd in Nature , zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van dissipatievrije kwantuminformatietechnologieën. Omdat bij de spingolven geen sprake is van elektrische stromen, zullen deze chips vrij zijn van daarmee gepaard gaande energieverliezen.

De snel groeiende populariteit van kunstmatige intelligentie gaat gepaard met een toenemend verlangen naar snelle en energiezuinige computerapparatuur en de roep om nieuwe manieren om informatie op te slaan en te verwerken. De elektrische stromen in conventionele apparaten lijden onder energieverlies en daaropvolgende verwarming van de omgeving.

Een alternatief voor de ‘verliesgevende’ elektrische stromen is het opslaan en verwerken van informatie in golven, waarbij gebruik wordt gemaakt van de spins van de elektronen in plaats van hun lading. Deze spins kunnen worden gezien als de elementaire eenheden van magneten.

Hoofdauteur Dr. Rostislav Mikhaylovskiy van Lancaster University zei:"Onze ontdekking zal essentieel zijn voor toekomstig op spin-wave gebaseerd computergebruik. Spingolven zijn een aantrekkelijke informatiedrager omdat er geen elektrische stromen bij betrokken zijn en daarom geen last hebben van weerstandsverliezen."

Het is al vele jaren bekend dat spins uit hun evenwichtsoriëntatie kunnen worden geschopt. Na deze verstoring beginnen de spins te precederen (dat wil zeggen roteren) rond hun evenwichtspositie. In magneten zijn aangrenzende spins extreem sterk gekoppeld, waardoor een netto magnetisatie ontstaat. Door deze koppeling kan de spinprecessie zich voortplanten in het magnetische materiaal, waardoor een spingolf ontstaat.

"Het observeren van niet-lineaire conversie van coherente voortplantende magnonen op nanoschaal, wat een voorwaarde is voor elke praktische, op magnonen gebaseerde gegevensverwerking, wordt al meer dan een decennium door veel groepen over de hele wereld gezocht. Daarom is ons experiment een mijlpaal voor spingolfstudies, die het potentieel in zich heeft om een ​​geheel nieuwe onderzoeksrichting te openen op het gebied van ultrasnelle coherente magnonics met het oog op de ontwikkeling van dissipatievrije kwantuminformatietechnologieën."

De onderzoekers hebben gebruik gemaakt van het feit dat de hoogst mogelijke frequenties van de spinrotaties te vinden zijn in materialen waarin aangrenzende spins ten opzichte van elkaar gekanteld zijn.

Om een ​​dergelijke snelle spindynamiek op te wekken, gebruikten ze een zeer korte lichtpuls, waarvan de duur korter is dan de periode van de spingolf, dat wil zeggen minder dan een biljoenste van een seconde. De truc voor het genereren van de ultrasnelle spingolf op nanoschaal zit in de fotonenenergie van de lichtpuls.

Het onderzoeksmateriaal vertoont een extreem sterke absorptie bij ultraviolette (UV) fotonenergieën, waardoor de excitatie wordt gelokaliseerd in een zeer dun gebied van slechts enkele tientallen nanometers van het grensvlak, waardoor spingolven met terahertz-frequenties (een biljoen Hertz) mogelijk zijn. submicrometergolflengten ontstaan.

De dynamiek van dergelijke spingolven is intrinsiek niet-lineair, wat betekent dat de golven met verschillende frequenties en golflengten in elkaar kunnen worden omgezet.

De onderzoekers hebben deze mogelijkheid nu voor het eerst in de praktijk gerealiseerd. Ze bereikten dit door het systeem niet met slechts één, maar met twee intense laserpulsen te prikkelen, gescheiden door een korte tijdsvertraging.

Eerste auteur Ruben Leenders, voormalig Ph.D. student aan de Lancaster University, zei:"In een typisch excitatie-experiment met enkele puls zouden we eenvoudigweg verwachten dat de twee spingolven met elkaar interfereren, zoals alle golven dat doen. Door echter de tijdsvertraging tussen de twee pulsen te variëren, ontdekten we dat dit superpositie van de twee golven gaat niet op.”

Het team verklaarde de waarnemingen door de koppeling van de reeds opgewonden spingolf met de tweede lichtpuls te beschouwen. Het resultaat van deze koppeling is dat wanneer de spins al draaien, de tweede lichtpuls een extra kick geeft aan de spins.

De kracht en de richting van deze trap hangt af van de stand van de afbuiging van de spins op het moment dat deze tweede lichtpuls arriveert. Dit mechanisme maakt controle mogelijk over de eigenschappen van de spingolven, zoals hun amplitude en fase, eenvoudigweg door de juiste tijdsvertraging tussen de excitaties te kiezen.