I ricercatori della Lancaster University e della Radboud University Nijmegen sono riusciti a generare onde di spin che si propagano su scala nanometrica e hanno scoperto un nuovo percorso per modularle e amplificarle.
La loro scoperta, pubblicata su Nature , potrebbe aprire la strada allo sviluppo di tecnologie di informazione quantistica prive di dissipazione. Poiché le onde di spin non coinvolgono correnti elettriche, questi chip saranno esenti dalle perdite di energia associate.
La popolarità in rapida crescita dell’intelligenza artificiale si accompagna a un crescente desiderio di dispositivi informatici veloci ed efficienti dal punto di vista energetico e richiede nuovi modi per archiviare ed elaborare le informazioni. Le correnti elettriche nei dispositivi convenzionali soffrono di perdite di energia e conseguente riscaldamento dell'ambiente.
Un'alternativa alle correnti elettriche "con perdita" è quella di immagazzinare ed elaborare informazioni in onde, utilizzando gli spin degli elettroni invece delle loro cariche. Questi giri possono essere visti come le unità elementari dei magneti.
L'autore principale, il dottor Rostislav Mikhaylovskiy dell'Università di Lancaster, ha dichiarato:"La nostra scoperta sarà essenziale per il futuro calcolo basato sulle onde di spin. Le onde di spin sono un interessante vettore di informazioni poiché non coinvolgono correnti elettriche e quindi non soffrono di perdite resistive".
È già noto da molti anni che gli spin possono essere spostati dal loro orientamento di equilibrio. Dopo questa perturbazione, gli spin iniziano a precedere (cioè a ruotare) attorno alla loro posizione di equilibrio. Nei magneti, gli spin vicini sono estremamente fortemente accoppiati, formando una magnetizzazione netta. A causa di questo accoppiamento, la precessione dello spin può propagarsi nel materiale magnetico, dando origine ad un'onda di spin.
"L'osservazione della conversione non lineare di magnoni che si propagano coerenti su scala nanometrica, che è un prerequisito per qualsiasi elaborazione pratica dei dati basata sui magnoni, è stata ricercata da molti gruppi in tutto il mondo per più di un decennio. Pertanto, il nostro esperimento è un punto di riferimento per gli studi sulle onde di spin, che ha il potenziale per aprire una direzione di ricerca completamente nuova sulla magnonica coerente ultraveloce con un occhio allo sviluppo di tecnologie di informazione quantistica prive di dissipazione."
I ricercatori hanno sfruttato il fatto che le frequenze più alte possibili delle rotazioni di spin si possono trovare nei materiali in cui gli spin adiacenti sono inclinati l'uno rispetto all'altro.
Per eccitare dinamiche di rotazione così veloci, hanno utilizzato un impulso di luce molto breve, la cui durata è inferiore al periodo dell'onda di rotazione, cioè meno di un trilionesimo di secondo. Il trucco per generare l'onda di spin ultraveloce su scala nanometrica sta nell'energia fotonica dell'impulso luminoso.
Il materiale in studio mostra un assorbimento estremamente forte alle energie dei fotoni ultravioletti (UV), che localizza l'eccitazione in una regione molto sottile di sole poche decine di nanometri dall'interfaccia, che consente onde di spin con frequenze terahertz (un trilione di Hertz) e emergono lunghezze d'onda submicrometriche.
La dinamica di tali onde di spin è intrinsecamente non lineare, il che significa che le onde con frequenze e lunghezze d'onda diverse possono essere convertite l'una nell'altra.
I ricercatori hanno ora per la prima volta realizzato questa possibilità nella pratica. Hanno raggiunto questo obiettivo eccitando il sistema non con uno solo, ma con due intensi impulsi laser, separati da un breve ritardo.
Primo autore Ruben Leenders, ex Ph.D. studente della Lancaster University, ha detto:"In un tipico esperimento di eccitazione a impulso singolo, ci aspetteremmo semplicemente che le due onde di spin interferiscano tra loro come fanno tutte le onde. Tuttavia, variando il ritardo temporale tra i due impulsi, abbiamo scoperto che questo la sovrapposizione delle due onde non regge."
Il team ha spiegato le osservazioni considerando l’accoppiamento dell’onda di spin già eccitata con il secondo impulso luminoso. Il risultato di questo accoppiamento è che quando le rotazioni stanno già ruotando, il secondo impulso luminoso dà un'ulteriore spinta alle rotazioni.
La forza e la direzione di questo calcio dipendono dallo stato della deflessione delle trottole nel momento in cui arriva questo secondo impulso luminoso. Questo meccanismo consente il controllo sulle proprietà delle onde di spin come la loro ampiezza e fase, semplicemente scegliendo il ritardo temporale appropriato tra le eccitazioni.
