Kun spin ja ääni esiintyvät rinnakkain

Pinta-akustiset aallot (SAW) ovat kaikkialla läsnä. Ne vapauttavat tuhovoimaa maanjäristysaaltojen muodossa, mutta ne ovat myös miniatyyritaajuussuodattimien ydin, joita käytetään GHz-taajuisessa mobiiliviestinnän älypuhelimissa.

Professori Mathias Weilerin johtama Kaiserslautern-Landau in Rhineland-Palatinate (RPTU) yliopiston tutkimusryhmä työskentelee seuraavan sukupolven miniatyrisoitujen äänipohjaisten mikroaaltokomponenttien fyysisten perustan luomiseksi.

Avaimena tähän on vakiintuneen SAW-teknologian ja spin-ilmiöiden yhdistäminen. Mathias Weiler selittää: ”Ääniaallot voivat levitä paitsi ilmassa myös aineessa. Prosessissa materiaalin hila-atomit värähtelevät.” Koska hila-atomien elektroneilla on kvanttimekaaninen liikemäärä, spin, myös tämä voidaan virittää värähtelemään. Ääniaallot synnyttävät sitten spin-aaltoja magneettisesti järjestäytyneissä materiaaleissa.

Tutkimusryhmä tutki tällaisia spinien kollektiivisia akustisia virityksiä ferrimagneettisessa eristeessä, yttriumrautagranaatin (YIG) –kalvoista, joka on kytketty sinkkioksidiin (ZnO) perustuvaan pinta-akustiseen aaltoresonaattoriin (SAW). YIG:llä on erittäin pitkä spinaallon elinikä, mikä tekee siitä ihanteellisen tutkimuskohteen.

Tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Kevin Künstle selittää tämän seuraavasti: "Olemme havainneet, että spinin ja äänen kvanttimekaaninen kytkentä voi johtaa uudenlaisen kimeerikvasihiukkasen muodostumiseen, joka ei ole ääniaalto eikä spinaalto. Spiniä ja ääntä ei voida enää erottaa tässä virityksessä, vaan ne esiintyvät rinnakkain."

Tutkijat pystyivät erityisesti osoittamaan, että tämä kimeerinen aalto värähtelee jaksoittain ääni- ja spin-tilansa välillä. Tämän värähtelyn ominainen siirtymätaajuus – niin kutsuttu Rabi-taajuus – on merkittävästi suurempi kuin kaikki järjestelmän häviönopeudet. Tämä on selvä todiste siitä, että järjestelmä on vahvan kytkennän tilassa.

Työssä osoitettu kvantitatiivinen ymmärrys kytkentäilmiöstä ja spin-äänikytkennän voimakkuuden hallinnasta avaa uusia näkökulmia ääni- ja spin-aaltojen hybriditilojen tekniseen käyttöön. ”Hybridi-spin-äänivirityksessämme yhdistyvät kaksi mikroaaltotekniikan pilaria: akustiset suodattimet ja ferrimagneettiset eristeet”, lisää professori Weiler.

”Tulevaisuudessa tällaisia järjestelmiä voitaisiin käyttää laajentamaan miniatyrisoitujen mikroaaltokomponenttien toiminnallisuutta. Voitaisiin esimerkiksi toteuttaa ketteriä taajuussuodattimia, joita voidaan säätää käytön aikana. Tämä avaa uusia konsepteja 6G-tietoliikenneverkkojen, tulevaisuuden mobiiliviestintäteknologian, toteuttamiseen.”

Aiheesta aiemmin:

Kaksoisraon koe nyt myös äänellä

Akustisia ja magnetoresistanssin ilmiöitä

Spinaalloilla pitkälle