Исследователям из Ланкастерского университета и Радбаудского университета в Неймегене удалось генерировать распространяющиеся спиновые волны на наноуровне и открыть новый путь их модуляции и усиления.

Их открытие, опубликованное в журнале Nature, может проложить путь к развитию квантовых информационных технологий без диссипации. Поскольку спиновые волны не используют электрические токи, эти чипы будут свободны от связанных с ними потерь энергии.

Быстро растущая популярность искусственного интеллекта сопровождается растущим спросом на быстрые и энергоэффективные вычислительные устройства и требует новых способов хранения и обработки информации. Электрические токи в обычных устройствах страдают от потерь энергии и последующего нагрева окружающей среды.

Одной из альтернатив электрическим токам с «потерями» является хранение и обработка информации в волнах, используя спины электронов вместо их зарядов. Эти спины можно рассматривать как элементарные единицы магнитов.

Ведущий автор доктор Ростислав Михайловский из Ланкастерского университета заявил: «Наше открытие будет иметь важное значение для будущих вычислений на основе спиновых волн. Спиновые волны являются привлекательным носителем информации, поскольку они не связаны с электрическими токами и, следовательно, не страдают от резистивных потерь».

Уже много лет известно, что спины могут быть выброшены из равновесной ориентации. После этого возмущения спины начинают прецессировать (т.е. вращаться) вокруг своего положения равновесия. В магнитах соседние спины чрезвычайно сильно связаны, образуя чистую намагниченность. Благодаря этой связи в магнитном материале может распространяться спиновая прецессия, вызывая возникновение спиновой волны.

«Наблюдение нелинейной конверсии когерентно распространяющихся магнонов в наномасштабе, что является необходимым условием для любой практической обработки данных на основе магнонов, ведется многими группами по всему миру уже более десяти лет. Таким образом, наш эксперимент является важной вехой в изучении спиновых волн, который потенциально может открыть совершенно новое направление исследований в области сверхбыстрой когерентной магноники с прицелом на развитие бездиссипативных квантовых информационных технологий».

Исследователи использовали тот факт, что максимально возможные частоты вращения спинов можно обнаружить в материалах, в которых соседние спины наклонены друг относительно друга.

Чтобы возбудить столь быструю спиновую динамику, они использовали очень короткий импульс света, длительность которого короче периода спиновой волны, т.е. менее триллионной доли секунды. Секрет генерации сверхбыстрой спиновой волны на наноуровне заключается в энергии фотонов светового импульса.

Исследуемый материал демонстрирует чрезвычайно сильное поглощение энергии фотонов ультрафиолетом (УФ), что локализует возбуждение в очень тонкой области всего в несколько десятков нанометров от границы раздела, что позволяет создавать спиновые волны с терагерцовыми (триллионами герц) частотами и появляются субмикрометровые длины волн.

Динамика таких спиновых волн по своей природе нелинейна, а это означает, что волны с разными частотами и длинами волн могут конвертироваться друг в друга.

Исследователи впервые реализовали эту возможность на практике. Они добились этого, возбуждая систему не одним, а двумя интенсивными лазерными импульсами, разделенными небольшой задержкой.

Первый автор Рубен Лендерс, бывший доктор философии. Студент Ланкастерского университета сказал: «В типичном эксперименте с одноимпульсным возбуждением мы просто ожидаем, что две спиновые волны будут интерферировать друг с другом, как это делают любые волны. Однако, варьируя временную задержку между двумя импульсами, мы обнаружили, что это суперпозиция двух волн не имеет места».

Команда объяснила эти наблюдения, рассматривая связь уже возбужденной спиновой волны со вторым световым импульсом. Результатом этой связи является то, что когда спины уже вращаются, второй световой импульс дает спинам дополнительный толчок.

Сила и направление этого удара зависят от состояния отклонения спинов в момент прихода второго светового импульса. Этот механизм позволяет контролировать свойства спиновых волн, такие как их амплитуда и фаза, просто выбирая подходящую временную задержку между возбуждениями.