Demonstration of ultrafast coherent sub-picosecond magnon pulses

在现代电子产品的世界里，信息以电子流的形式进行传输，这些微小的带电粒子在导线和芯片中穿梭。虽然这一系统为我们的设备提供了动力，但它存在一个根本性的限制：移动电子会产生热量并消耗大量能量。科学家们现在正在寻找一种更快、更冷酷的替代方案，这种方案完全不依赖于电荷。他们提议不再移动电子，而是使用磁子（magnons）。磁子是材料中磁序的一种涟漪，是一种由自旋原子组成的集体波，可以在不承担移动电荷所带来的沉重能量成本的情况下携带信息。为了使这一构想在高速计算领域发挥作用，这些磁性涟漪必须极其迅速，能够以短促且尖锐的脉冲形式运动，并且每秒可以开关万亿次。然而，产生如此短促的脉冲一直是一个主要的障碍。通常情况下，当科学家尝试产生这些磁波时，最终得到的往往是长而模糊的信号，这些信号会迅速扩散并失去形状，从而使其无法用于精确的高速逻辑运算。

一支研究团队现在展示了一种克服这一问题的方法，即产生比单个一万亿分之一秒还要短的磁脉冲，并且这些脉冲可以在旅行过程中保持形态而不发生衰减。研究人员使用了一种被称为绝缘体的特定类型磁性材料，这种材料不导电，他们利用太赫兹辐射脉冲来启动磁波。这种材料是一种氧化铁，具有独特的内部结构，其磁自旋的排列方式允许这些波进行非常快速的线性运动。通过在这一磁性材料顶部放置一层薄铂层，研究人员可以利用太赫兹脉冲的电场在界面处产生自旋流。这种流向就像一把精准的锤子，敲击磁性材料，从而发射出单个相干的磁子脉冲。

实验表明，这些脉冲表现得异常出色。它们以每皮秒23纳米的恒定速度在磁层中传播，在移动过程中始终保持其尖锐的亚皮秒形状。研究人员观察到这些脉冲在薄层内来回反弹，就像球在走廊里来回滚动一样，并且他们能以高精度检测到返回的波。这项发现之所以意义重大，是因为脉冲在传播过程中不会扩散或模糊，这种现象被称为色散，而色散通常会破坏波所携带的信息。相反，这些脉冲保持紧凑且清晰，在160纳米的距离内实现了弹道式传输。这个距离远大于其他类型的磁波所能达到的距离，后者通常在仅仅几十纳米后就会消失。团队发现，这些脉冲保持了它们的形状并携带了角动量（即允许它们与磁性材料发生相互作用的物理属性），证明了信息在整个旅程中都是完整的。

为了证实这些确实是相干且有组织的波，而非随机的热噪声，研究人员改变了磁层的厚度，并测量了脉冲返回所需的时间。他们发现了一个直接的线性关系：磁层越厚，脉冲返回所需的时间就越长，这完全符合波以恒定速度传播的预期。他们还在不同温度下测试了该系统，发现信号保持稳定，从而进一步排除了该效应是由随机热波动引起。通过分析返回脉冲的时序和形状，团队能够绘制出波速随波长变化的图谱，证实了该材料支持超高速计算所需的特定类型线性波行为。

这项工作为创建运行在太赫兹频率下的磁性电路奠定了基础，而太赫兹频率比目前的电子处理器快好几个数量级。能够发射和检测这些超短且非色散脉冲的研究结果表明，实验中所使用的材料——赤铁矿，可以作为未来信息处理的基础平台。研究人员开发的方法还提供了一种研究磁性材料的新途径，允许科学家利用桌面级的实验装置，在极高的速度和极短的距离内探测磁波的行为。通过证明磁脉冲既可以极其快速，又能在不失去形状的情况下持久存在，这项研究消除了一个长期阻碍全磁子逻辑器件实现的重大障碍，使高效能、超高速计算的愿景向现实迈出了坚实的一步。