Come i fan che soffiano in sincronia, alcuni materiali magnetici possono esibire interessanti proprietà energetiche. Al fine di trovare nuovi modi per trasmettere ed elaborare le informazioni, gli scienziati hanno iniziato a esplorare il comportamento degli spin elettronici e magnetici, in particolare le loro eccitazioni risonanti, come portatori di informazioni. In alcuni casi, i ricercatori hanno identificato nuovi fenomeni che potrebbero contribuire alla creazione di nuovi dispositivi per applicazioni spintroniche e quantistiche.

In un nuovo studio condotto dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori hanno scoperto un nuovo modo in cui le eccitazioni degli spin magnetici in due diversi film sottili possono essere fortemente accoppiate tra loro attraverso la loro interfaccia comune. Questo accoppiamento dinamico rappresenta un tipo di sistema ibrido che sta ricevendo una crescente attenzione da parte degli scienziati interessati ai sistemi di informazione quantistica.

"Un modo per pensarci è come se avessi due coppie di masse attaccate a delle molle, ", ha affermato il ricercatore postdottorato di Argonne e primo autore Yi Li. "Sappiamo che ogni massa collegata a una molla oscillerà periodicamente quando viene colpita dall'esterno. Ma se colleghiamo le due masse con una terza molla, allora l'oscillazione di una massa attiverà anche l'oscillazione dell'altra massa, che può essere utilizzato per scambiare informazioni tra le sorgenti. Il ruolo della terza molla qui è giocato dall'accoppiamento di scambio interfacciale tra i due strati magnetici".

Con un po' di ingegneria intelligente, i ricercatori possono impostare la frequenza di oscillazione libera dei due strati di spin magnetici, le "masse", in modo che siano identiche, dove sono i più favorevoli alla coppia. Inoltre, mostrano che i due sistemi possono essere "fortemente" accoppiati, uno stato importante per mantenere la coerenza e che può ispirare applicazioni nell'informazione quantistica.

Oltre allo stato di accoppiamento forte, i ricercatori hanno scoperto un nuovo effetto aggiuntivo nel doppio strato magnetico che ha un impatto sulla coerenza delle loro eccitazioni:un lato può pompare energia, chiamata corrente di spin, nell'altro. Un comportamento notevole e intrigante riguardante il nuovo accoppiamento dinamico riguarda lo scambio di energia tra i due strati nel materiale magnetico.

Secondo lo scienziato dei materiali dell'Università dell'Illinois e autore dello studio Axel Hoffmann, ogni strato ha un particolare periodo di tempo durante il quale la dinamica di magnetizzazione di solito persiste indipendentemente. Però, con l'introduzione della corrente di spin che spinge gli spin in una direzione particolare, può esserci abbastanza energia trasferita in modo che la dinamica di magnetizzazione duri sostanzialmente più a lungo in uno degli strati.

"Sapevamo che esisteva un tipo di accoppiamento rigido, ma il fatto è che anche l'altro accoppiamento dinamico è importante, e abbastanza importante da non poterlo trascurare, " Ha detto Hoffmann. "Per i sistemi di informazione quantistica, il nome del gioco è prendere un po' di eccitazione e manipolarla in qualche modo o trasferirla su un'altra eccitazione, e questo è più o meno al centro di quello che stiamo facendo qui".

"C'è un'interazione magnetica intrinseca che accoppia questi due strati, " aggiunse Li. "Possiamo applicare un campo magnetico, e quindi possiamo determinare se questi due strati pompano in fase o fuori fase. Tali interazioni controllate sono in linea di principio ciò che le persone stanno facendo per l'elaborazione delle informazioni quantistiche".

Secondo Hoffmann, l'esperimento è iniziato con l'identificazione di due sistemi magnetici che i ricercatori sapevano essere accoppiati tra loro. Cercando di rendere l'accoppiamento il più forte possibile rispetto alle singole eccitazioni nel materiale, i ricercatori sono stati in grado di vedere i dettagli aggiuntivi di come è avvenuto il trasferimento di energia di pompaggio dello spin.

Un documento basato sullo studio, "Pompaggio di rotazione coerente in un sistema ibrido Magnon-Magnon fortemente accoppiato, " apparso nel numero del 17 marzo di Lettere di revisione fisica . Altri autori dello studio includevano Zhizhi Zhang di Argonne, Jonathan Gibbons, John Pearson, Valentino Novosad, e Wei Zhang; Paul Haney, Marco Stiles, e Vivek Amin del National Institute of Standards and Technology; Wei Cao e William Bailey della Columbia University; e Joseph Sklenar della Wayne State University.