Odottamattomia värähtelytiloja magneettipyörteissä

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) tutkijat ovat löytäneet aiemmin havaitsemattomia värähtelytiloja – niin kutsuttuja Floquet-tiloja – pienissä magneettipyörteissä.

Toisin kuin aikaisemmissa kokeissa, jotka vaativat energiaintensiivisiä laserpulsseja tällaisten tilojen luomiseen, Dresdenin tutkimusryhmä havaitsi, että hienovarainen magneettiaaltojen aiheuttama heräte riittää.

Tämä havainto ei ainoastaan herätä perustavanlaatuisia kysymyksiä perusfysiikassa, vaan se voisi myös lopulta toimia universaalina sovittimena elektroniikan, spintroniikan ja kvanttilaitteiden yhdistämiseksi.

"Magnonit voivat siirtää informaatiota magneetin kautta ilman varauksen kuljetusta", selittää projektin johtaja, tohtori Helmut Schultheiß HZDR:n ionisädefysiikan ja materiaalitutkimuksen laitokselta. "Tämä ominaisuus tekee niistä erittäin houkuttelevia seuraavan sukupolven laskentateknologioiden tutkimukselle."

Jonkin aikaa sitten hänen tiiminsä alkoi kokeilla erityisen pieniä magneettilevyjä pienentämällä niiden halkaisijaa useista mikrometreistä muutamaan sataan nanometriin. Heidän alkuperäisenä tavoitteenaan oli arvioida, miten eri kokoisia levyjä voitaisiin käyttää neuromorfisessa laskennassa, uudessa laskennallisessa paradigmassa.

Dataa analysoidessaan tutkijat kuitenkin huomasivat, että jotkut levyt tuottivat spektriin paitsi yhden resonanssiviivan, myös kokonaisen sarjan hienojakoisia viivoja – todellisen taajuuskamman. "Aluksi oletimme, että kyseessä oli mittausartefakti tai jonkinlainen interferenssi", Schultheiß muistelee. "Mutta kun toistimme kokeen, vaikutus ilmestyi uudelleen. Silloin kävi selväksi, että tarkastelimme jotain aidosti uutta."

Ilmiön avain piili ranskalaisen matemaatikon Gaston Floquet'n kehittämässä matemaattisessa viitekehyksessä. Jo 1800-luvun lopulla hän osoitti, että jaksolliselle ohjaukselle altistuvat järjestelmät voivat kehittää täysin uusia tiloja: rytmisesti tönäistyinä syntyy lisää värähtelyjä, joita ei esiinny tasapainossa.

Tähän asti tällaisten Floquet'n tilojen syntyminen on kuitenkin tyypillisesti vaatinut voimakkaita laserpulsseja ja merkittävää energiansyöttöä. Dresdenin tutkimusryhmä havaitsi, että magneettipyörteissä Floquet'n tilat voivat syntyä itsestään – edellyttäen, että magnonit virittyvät riittävän voimakkaasti.

Tällöin ne siirtävät osan energiastaan pyörteen ytimeen, jolloin se tekee pienen ympyräliikkeen keskipisteensä ympäri. Tämä hienovarainen liike riittää moduloimaan magneettista tilaa rytmisesti.

Kokeellisesti vaikutus ilmenee taajuuskampana: yhden terävän resonanssin sijaan ilmestyy kokonainen kimppu säännöllisesti toisistaan erillään olevia viivoja. "Olimme ällistyneitä siitä, että näin pieni ydinliike riitti muuttamaan tutun magnon-spektrin kokonaiseksi joukoksi uusia tiloja", Schultheiß sanoo.

Tämä avaa kiehtovia mahdollisuuksia. Esimerkiksi tällaiset taajuuskammat voisivat auttaa synkronoimaan muuten erilaisia järjestelmiä – yhdistämällä ultranopeita terahertsi-ilmiöitä perinteiseen elektroniikkaan tai kvanttikomponentteihin.

Tulevaisuutta ajatellen tiimillä on jo suunnitelmia selvittää, voidaanko tätä periaatetta soveltaa muihin magneettisiin rakenteisiin. Vaikutus voi osoittautua arvokkaaksi myös uusien laskenta-arkkitehtuurien kehittämisessä, koska se voisi helpottaa magneettisten signaalien, elektronisten piirien ja kvanttijärjestelmien välistä kytkentää.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiprosessorilla toteutettu aineen eksoottinen faasi

Grafeenin potentiaali aivan uudelle tasolle