Demonstration of ultrafast coherent sub-picosecond magnon pulses

In de wereld van de moderne elektronica reist informatie als een stroom van elektronen, piepkleine geladen deeltjes die door draden en chips razen. Hoewel dit systeem onze apparaten van stroom voorziet, heeft het een fundamentele beperking: het bewegen van elektronen genereert warmte en verbruikt aanzienlijke energie. Wetenschappers zoeken nu naar een sneller, koeler alternatief dat helemaal niet afhankelijk is van elektrische lading. In plaats van het verplaatsen van elektronen, stellen zij voor om magnetonen te gebruiken. Een magneton is een rimpeling in de magnetische orde van een materiaal, een collectieve golf van draaiende atomen die informatie kan dragen zonder de zware energiekosten van het verplaatsen van lading. Om dit idee bruikbaar te maken voor snelle computerberekeningen, moeten deze magnetische rimpelingen ongelooflijk snel zijn, in staat om te bewegen in korte, scherpe pulsen die triljoenen keren per seconde aan en uit kunnen schakelen. Het creëren van dergelijke korte pulsen is echter een grote hindernis geweest. Meestal eindigen wetenschappers, wanneer zij proberen deze magnetische golven te genereren, met lange, wazige signalen die uitdijen en bijna onmiddellijk hun vorm verliezen, waardoor ze onbruikbaar zijn voor precieze, snelle logica.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier aangetoond om dit probleem te overwinnen door magnetische pulsen te genereren die korter zijn dan een enkele biljoenste van een seconde en die een verrassend lange afstand kunnen afleggen zonder hun vorm te verliezen. Werkend met een specifiek type magnetisch materiaal dat een isolator is, wat betekent dat het geen elektriciteit geleidt, gebruikten de wetenschappers een puls van terahertzstraling om een magnetische golf te initiëren. Dit materiaal, een vorm van ijzeroxide, heeft een unieke interne structuur waarbij de magnetische spins zo zijn gerangschikt dat ze zeer snelle, lineaire bewegingen van deze golven mogelijk maken. Door een dunne laag platina op dit magnetische materiaal te plaatsen, konden de onderzoekers de elektrische velden van de terahertzpuls gebruiken om een stroom van spin bij de interface te creëren. Deze stroom fungeerde als een precieze hamer die op het magnetische materiaal sloeg om een enkele, coherente puls van magnetonen te lanceren.

Het experiment toonde aan dat deze pulsen opmerkelijk goed gedrag vertoonden. Ze reisden door de magnetische laag met een constante snelheid van 23 nanometer per picoseconde, waarbij ze hun scherpe, sub-picoseconde vorm behielden terwijl ze bewogen. De onderzoekers observeerden dat deze pulsen heen en weer stuiterden binnen de dunne laag, zoals een bal die heen en weer rolt in een gang, en zij detecteerden de terugkerende golven met hoge precisie. Wat deze ontdekking zo belangrijk maakte, was dat de pulsen niet uitspreidden of wazig werden tijdens het reizen, een gedrag dat bekend staat als dispersie, wat normaal gesproken de door de golf gedragen informatie vernietigt. In plaats daarvan bleven de pulsen compact en duidelijk, en reisden ze ballistisch over een afstand van 160 nanometer. Deze afstand is veel groter dan wat bij andere soorten magnetische golven is gezien, die meestal na slechts enkele tientallen nanometers vervagen. Het team stelde vast dat de pulsen hun vorm behielden en impulsmoment droegen, de fysieke eigenschap die hen in staat stelt te interageren met het magnetische materiaal, wat bewees dat de informatie gedurende de hele reis intact was.

Om te bevestigen dat dit inderdaad coherente, georganiseerde golven waren en geen willekeurige thermische ruis, varieerden de onderzoekers de dikte van de magnetische laag en maten zij de tijd die de pulsen nodig hadden om terug te keren. Zij vonden een directe, lineaire relatie: hoe dikker de laag, hoe langer het duurde voordat de puls terugkeerde, precies zoals verwacht voor een golf die met een constante snelheid reist. Ze testten het systeem ook bij verschillende temperaturen en stelden vast dat het signaal stabiel bleef, wat de mogelijkheid verder uitsloot dat het effect werd veroorzaakt door willekeurige hittefluctuaties. Door de timing en de vorm van de terugkerende pulsen te analyseren, was het team in staat om in kaart te brengen hoe de snelheid van de golven veranderde met hun golflengte, waarmee werd bevestigd dat het materiaal het specifieke type lineaire golfgedrag ondersteunt dat nodig is voor ultrasnelle computerberekeningen.

Dit werk legt een duidelijk pad naar het creëren van magnetische circuits die kunnen opereren op terahertzfrequenties, wat orders van grootte sneller is dan huidige elektronische processoren. Het vermogen om deze ultra-korte, niet-dispersieve pulsen te lanceren en te detecteren suggereert dat het materiaal dat in het experiment werd gebruikt, hematiet, als een fundamenteel platform voor toekomstige informatieverwerking kan dienen. De door de onderzoekers ontwikkelde methode biedt ook een nieuwe manier om magnetische materialen te bestuderen, waardoor wetenschappers het gedrag van magnetische golven op extreem hoge snelheden en korte afstanden kunnen onderzoeken met een laboratoriumopstelling. Door te bewijzen dat magnetische pulsen zowel ongelooflijk snel als langdurig kunnen zijn zonder hun vorm te verliezen, verwijdert deze studie een cruciale barrière die lang heeft voorkomen dat all-magnon logische apparatenens werden gerealiseerd, waardoor de visie van energie-efficiënte, ultrasnelle computerberekeningen een stap dichter bij de realiteit komt.