Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sono eccezionali sotto molti aspetti. Lavorando in collaborazione con l'Imperial College di Londra, Per esempio, hanno condotto ricerche su un fenomeno nei sistemi di elaborazione delle informazioni chiamato "punti eccezionali". Questo fenomeno ha trovato applicazioni nelle microonde, tecnologie ottiche e meccaniche.

"Il nostro team ha rilevato sperimentalmente una superficie eccezionale, una superficie curva tridimensionale continua di punti eccezionali, " disse Xufeng Zhang, che ha guidato questo progetto di ricerca internazionale e lavora come assistente scienziato presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) ad Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Ricerche passate di altri avevano rilevato punti di eccezione, e i successivi ricercatori avevano tracciato linee di punti eccezionali misurati, ma questa è la prima volta che i ricercatori hanno tracciato superfici.

"Il nostro contributo originale è quello di aver mappato superfici tridimensionali di punti eccezionali sulla base di misurazioni sperimentali, e il risultato sono grafici straordinariamente belli."—Xufeng Zhang, assistente scienziato presso il Center for Nanoscale Materials

"Pensa a due sistemi, ognuno dei quali ha la propria perdita di energia per l'ambiente, " ha spiegato Zhang. "Immagina anche che questi sistemi siano accoppiati in modo che possano scambiare energia tra loro".

Quando questi sistemi sono distanti, c'è poca interazione tra loro, ei calcoli relativi all'energia producono due soluzioni indipendenti legate alle sole interazioni con l'ambiente. Mentre si avvicinano e interagiscono insieme, i sistemi entrano in una fase di transizione in cui esiste una sola soluzione. Questo è considerato un punto eccezionale. Mentre i sistemi si avvicinano ancora di più, il punto eccezionale svanisce, e i calcoli producono coppie di "soluzioni ibride, " una miscela delle soluzioni per ogni sistema.

Una possibile applicazione di punti eccezionali sono i sensori con una sensibilità notevolmente migliorata alle interruzioni come leggere fluttuazioni in un campo magnetico. Un'altra applicazione è la conversione della modalità, che permette, Per esempio, le segnalazioni dei due interlocutori in una telefonata da mantenere in modalità separate, eliminando sostanzialmente qualsiasi interferenza indesiderata.

"Il nostro contributo originale è quello di aver mappato superfici tridimensionali di punti eccezionali sulla base di misurazioni sperimentali, e il risultato sono grafici straordinariamente belli, " ha detto Zhang. Queste superfici eccezionali hanno quelle che Zhang chiama "punti di sella eccezionali, " il punto più eccezionale tra tutti gli altri punti eccezionali sulle superfici. Questi punti di sella hanno aumentato il comportamento desiderato rispetto agli altri punti eccezionali.

L'apparato sperimentale del team combina due sistemi:un circuito stampato specializzato che confina le microonde e una sfera magnetica su microscala di granato di ferro ittrio, che produce risonanze chiamate "magnon".

"I Magnon sono quasiparticelle quantizzate associate a onde di spin, un'eccitazione collettiva dell'ordinamento magnetico in un reticolo cristallino, "Ha spiegato Zhang. "Quello che è importante qui è che cambiare la magnetizzazione in un punto del reticolo colpisce i siti vicini come un'onda che si increspa sulla superficie di un placido stagno".

Il team ha utilizzato uno spettrometro magneto-elettro-ottico presso il CNM per misurare la risposta a diverse sintonizzazioni della forza e della posizione dell'accoppiamento fotone-magnon nel loro apparato, quindi tracciato i risultati in grafici tridimensionali di una superficie eccezionale.

Sebbene altamente astratto e matematico, questa scoperta fondamentale potrebbe avere un impatto nel mondo reale nell'elaborazione delle informazioni. Come uno dei tanti possibili esempi, il trasferimento delle informazioni richiede che il rumore non corrompa gli zeri e gli uni trasmessi, e un'eccezionale mappatura della superficie potrebbe aiutare a fornire una protezione molto maggiore per questo processo.

"Il nostro lavoro apre anche nuove entusiasmanti possibilità per l'elaborazione delle informazioni quantistiche con funzionalità altamente desiderate, " ha osservato Zhang.