Molti di noi varcano i cancelli ogni giorno, punti di ingresso e di uscita in uno spazio come un giardino, parco o metropolitana. Anche l'elettronica ha i cancelli. Questi controllano il flusso di informazioni da un luogo all'altro mediante un segnale elettrico. A differenza di un cancello da giardino, questi cancelli richiedono il controllo della loro apertura e chiusura molte volte più velocemente di un battito di ciglia.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago hanno ideato un mezzo unico per ottenere un'efficace operazione di gate con una forma di elaborazione delle informazioni chiamata elettromagnonica. La loro scoperta fondamentale consente il controllo in tempo reale del trasferimento di informazioni tra fotoni a microonde e magnoni. E potrebbe tradursi in una nuova generazione di dispositivi di segnale elettronici e quantistici classici che possono essere utilizzati in varie applicazioni come la commutazione del segnale, calcolo a bassa potenza e reti quantistiche.

I fotoni a microonde sono particelle elementari che formano le onde elettromagnetiche impiegate in, Per esempio, comunicazioni senza fili. I Magnon sono i rappresentanti simili a particelle delle "onde di spin". Questo è, disturbi simili a onde in una serie ordinata di spin allineati al microscopio che si verificano in alcuni materiali magnetici.

"Molti gruppi di ricerca stanno combinando diversi tipi di vettori di informazioni per l'elaborazione delle informazioni, " disse Xufeng Zhang, assistente scienziato presso il Center for Nanoscale Materials, un DOE Office of Science User Facility ad Argonne. "Tali sistemi ibridi consentirebbero applicazioni pratiche che non sono possibili con supporti di informazioni di un unico tipo".

"L'elaborazione del segnale che accoppia le onde di spin e le microonde è un atto ad alto filo, " ha aggiunto Zhang. "Il segnale deve rimanere coerente nonostante le dissipazioni di energia e altri effetti esterni che minacciano di gettare il sistema nell'incoerenza".

Funzionamento coerente del cancello (controllo su on, off e durata dell'interazione magnon-fotone) è stato un obiettivo a lungo ricercato nei sistemi magnonici ibridi. In linea di principio, ciò può essere ottenuto mediante una rapida sintonizzazione dei livelli di energia tra il fotone e il magnon. Però, tale messa a punto è dipesa dalla modifica della configurazione geometrica del dispositivo. Ciò richiede in genere molto più tempo della vita magnon, dell'ordine di 100 nanosecondi (un centesimo miliardesimo di secondo). Questa mancanza di un meccanismo di sintonizzazione rapida per l'interazione tra magnoni e fotoni ha reso impossibile ottenere un controllo del gating in tempo reale.

Utilizzando un nuovo metodo che prevede la sintonizzazione del livello di energia, il team è stato in grado di passare rapidamente dallo stato magnonico a quello fotonico in un periodo più breve della vita magnon o fotonica. Questo periodo è di soli 10 a 100 nanosecondi.

"Iniziamo sintonizzando il fotone e il magnon con un impulso elettrico in modo che abbiano lo stesso livello di energia, " disse Zhang. "Allora, lo scambio di informazioni inizia tra di loro e continua fino allo spegnimento dell'impulso elettrico, che sposta il livello di energia del magnon da quello del fotone."

Con questo meccanismo, Zhang ha detto, il team può controllare il flusso di informazioni in modo che sia tutto nel fotone o tutto nel magnon o in qualche posto nel mezzo. Ciò è reso possibile da un nuovo design del dispositivo che consente la sintonizzazione in nanosecondi di un campo magnetico che controlla il livello di energia di Magnon. Questa sintonizzabilità consente l'operazione di gate coerente desiderata.

Questa ricerca indica una nuova direzione per l'elettromagnonica. Più importante, il meccanismo dimostrato non funziona solo nel regime dell'elettronica classica, ma può anche essere facilmente applicato per manipolare stati magnonici nel regime quantistico. Ciò apre opportunità per l'elaborazione del segnale basata sull'elettromagnonica nell'informatica quantistica, comunicazione e rilevamento.

Questa ricerca è stata parzialmente supportata dal DOE Office of Basic Energy Sciences. È stato segnalato in Lettere di revisione fisica , in un articolo intitolato "Operazioni di porta coerenti nella magnonica ibrida".