Omdat de vraag naar computerbronnen snel blijft stijgen, zoeken wetenschappers en ingenieurs naar manieren om snellere systemen te bouwen voor het verwerken van informatie. Eén mogelijke oplossing is het gebruik van patronen van elektronenspins, spingolven genoemd, om informatie veel sneller over te dragen en te verwerken dan bij conventionele computers. Tot nu toe was een grote uitdaging het manipuleren van deze ultrasnelle spingolven om nuttig werk te doen.

In een aanzienlijke sprong voorwaarts hebben onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin en MIT een baanbrekende methode ontwikkeld om deze ultrasnelle spingolven nauwkeurig te manipuleren met behulp van op maat gemaakte lichtpulsen. Hun bevindingen worden gedetailleerd beschreven in twee onderzoeken in Natuurfysica , onder leiding van MIT-student Zhuquan Zhang, postdoctoraal onderzoeker Frank Gao van de Universiteit van Texas in Austin, MIT's hoogleraar scheikunde Keith Nelson en UT Austin assistent-professor natuurkunde Edoardo Baldini.

Een belangrijk onderdeel dat ten grondslag ligt aan onze smartphones, het internet en cloud computing is de technologie voor magnetische gegevensregistratie voor het opslaan en ophalen van grote hoeveelheden informatie. Deze technologie draait om de manipulatie van de magnetische spintoestanden (omhoog en omlaag) in ferromagnetische materialen, die de binaire bits "0" en "1" vertegenwoordigen. Deze spins zijn minuscule magneten, waarvan de uitlijning de magnetische eigenschappen van het materiaal bepaalt.

Wanneer onderzoekers één reeks atomen in deze materialen met licht raken, zorgt dit ervoor dat hun spins gaan wiebelen in een patroon dat door naburige atomen naar buiten rimpelt, zoals golven in een vijver wanneer er een steen in valt. Dit is een spingolf.

In tegenstelling tot deze conventionele materialen voor gegevensopslag, beschikt een speciale klasse magnetische materialen, bekend als antiferromagneten, over spins die in tegengestelde richtingen zijn uitgelijnd. Spingolven in deze materialen zijn doorgaans veel sneller dan hun tegenhangers in ferromagneten en houden daarom potentieel in voor toekomstige architecturen voor snelle informatieverwerking.

De onderzoekers experimenteerden met een antiferromagneet die bekend staat als orthoferriet. Dit materiaal herbergt een paar verschillende spingolven die gewoonlijk niet met elkaar praten. Door gebruik te maken van terahertz (THz) licht, dat onzichtbaar is voor het menselijk oog bij extreme infrarode frequenties, hebben de onderzoekers met succes deze spingolven op elkaar kunnen laten inwerken.

In één artikel lieten ze zien dat het gebruik van intense THz-velden om een ​​spingolf op een bepaalde frequentie op te wekken, een andere spingolf op een hogere frequentie kan initiëren, vergelijkbaar met de harmonische boventonen die van nature ontstaan ​​als een gitaarsnaar wordt aangeslagen.

"Dit heeft ons echt verrast", zei Zhang. "Het betekende dat we de energiestroom binnen deze magnetische systemen niet-lineair konden controleren."

In het andere artikel ontdekten ze dat de excitatie van twee verschillende spingolven kan resulteren in een nieuwe, hybride spingolf. Baldini zei dat dit bijzonder opwindend is omdat het zou kunnen helpen de technologie van spintronica naar een nieuw rijk te duwen dat magnonics wordt genoemd. In de spintronica wordt informatie vervoerd in de spin van individuele elektronen. Bij magnonics wordt informatie overgedragen in spingolven (ook wel magnonen genoemd).

"Hier gebruik je, in tegenstelling tot bij spintronica, dit collectieve type spingolven waarbij heel veel elektronenspins tegelijkertijd betrokken zijn", zei Baldini. "Dat kan je naar extreem snelle tijdschalen leiden die niet haalbaar zijn in spintronica en ook informatie op een efficiëntere manier verplaatsen."

Om dit baanbrekende werk uit te voeren, ontwikkelden de onderzoekers een geavanceerde spectrometer om de onderlinge koppeling tussen verschillende spingolven bloot te leggen en hun onderliggende symmetrieën bloot te leggen.

"In tegenstelling tot zichtbaar licht dat gemakkelijk met het oog kan worden waargenomen, is THz-licht een uitdaging om te detecteren", zegt Gao. "Deze experimenten zouden anders onmogelijk zijn zonder de ontwikkeling van de techniek, waardoor we THz-signalen konden meten met slechts een enkele lichtpuls."

Meer informatie: Zhuquan Zhang et al, Terahertz-veldgestuurde magnon-opconversie in een antiferromagneet, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7

Zhuquan Zhang et al, Terahertz-veld-geïnduceerde niet-lineaire koppeling van twee magnonmodi in een antiferromagneet, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3

Aangeboden door de Universiteit van Texas in Austin