Οι χτένες συχνοτήτων μαγνονίων ενδέχεται να καταστήσουν δυνατή τη σύνδεση και την αλληλεπίδραση με ένα ευρύ φάσμα φυσικών συστημάτων, ανοίγοντας νέους δρόμους για την επικοινωνία και τον έλεγχο μεταξύ τεχνολογιών που διαφορετικά θα παρέμεναν ασύμβατες.
Ερευνητές στο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) εντόπισαν έναν άγνωστο μέχρι πρότινος τύπο ταλάντωσης σε εξαιρετικά μικρούς μαγνητικούς στροβίλους, γνωστούς ως καταστάσεις Floquet. Σε αντίθεση με παλαιότερες μελέτες που βασίζονταν σε ισχυρούς παλμούς λέιζερ για τη δημιουργία αυτών των καταστάσεων, η ομάδα της Δρέσδης διαπίστωσε ότι μια ήπια διέγερση με χρήση μαγνητικών κυμάτων είναι αρκετή για να πυροδοτήσει το φαινόμενο.
Η ανακάλυψη αυτή έχει σημαντικές προεκτάσεις για τη θεμελιώδη φυσική και ενδέχεται επίσης να υποδεικνύει πρακτικές εφαρμογές. Μακροπρόθεσμα, θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένα είδος παγκόσμιου συνδέσμου που θα ενώνει τις ηλεκτρονικές, τις σπιντρονικές και τις κβαντικές τεχνολογίες. Οι ερευνητές περιγράφουν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Science.
Τι είναι οι Μαγνητικοί Στρόβιλοι και το Μαγνόνιο;
Οι μαγνητικοί στρόβιλοι εμφανίζονται σε εξαιρετικά λεπτούς δίσκους μεγέθους μικρομέτρου, κατασκευασμένους από μαγνητικά υλικά όπως το νικέλιο-σίδηρος. Στο εσωτερικό αυτών των δομών, οι επιμέρους μαγνητικές ροπές —που συχνά παρομοιάζονται με μικροσκοπικές βελόνες πυξίδας— ευθυγραμμίζονται φυσικά σε κυκλικές διατάξεις. Όταν το σύστημα διαταράσσεται εξωτερικά, μπορούν να διαδοθούν κύματα μέσα σε αυτό, παρόμοια με το «κύμα» που κάνουν οι θεατές σε ένα γήπεδο.
Κάθε μικροσκοπική μαγνητική ροπή μετατοπίζεται ελαφρώς και μεταδίδει την κίνησή της στη γειτονική της. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτές τις κοινές, κυματοειδείς κινήσεις «μαγνόνια».
«Αυτά τα μαγνόνια μπορούν να μεταδώσουν πληροφορίες μέσω ενός μαγνήτη χωρίς την ανάγκη μεταφοράς ηλεκτρικού φορτίου», εξηγεί ο επικεφαλής του έργου Δρ. Χέλμουτ Σουλτχάις (Helmut Schultheiß) από το Ινστιτούτο Φυσικής Ιοντικών Δεσμών και Έρευνας Υλικών του HZDR. «Αυτή η ικανότητα τα καθιστά εξαιρετικά ελκυστικά για την έρευνα στις τεχνολογίες υπολογιστών επόμενης γενιάς».
Η ομάδα άρχισε να διερευνά αυτή τη συμπεριφορά δουλεύοντας με ιδιαίτερα μικρούς μαγνητικούς δίσκους, συρρικνώνοντας τη διάμετρό τους από αρκετά μικρόμετρα σε μόλις μερικές εκατοντάδες νανόμετρα. Ο αρχικός στόχος ήταν να μελετηθεί πώς δίσκοι διαφορετικών μεγεθών θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμοι για τη νευρομορφική υπολογιστική, μια αναδυόμενη προσέγγιση που μιμείται τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες.
Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, ωστόσο, οι ερευνητές παρατήρησαν κάτι απροσδόκητο. Αντί για μια μεμονωμένη κορυφή συντονισμού, ορισμένοι δίσκοι εμφάνισαν στα φάσματά τους ένα ολόκληρο σύνολο από γραμμές σε κοντινή απόσταση, σχηματίζοντας αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν «χτένα συχνοτήτων».
«Στην αρχή υποθέσαμε ότι επρόκειτο για κάποιο σφάλμα στη μέτρηση ή για κάποιου είδους παρεμβολή», θυμάται ο Schultheiß. «Όταν όμως επαναλάβαμε το πείραμα, το φαινόμενο επανεμφανίστηκε. Τότε έγινε σαφές ότι βλέπαμε κάτι πραγματικά καινούργιο».
Ο περιστρεφόμενος πυρήνας του στροβίλου
Η εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά βρίσκεται σε μαθηματικές ιδέες που εισήγαγε ο Γάλλος μαθηματικός Γκαστόν Φλοκέ (Gaston Floquet). Στα τέλη του 19ου αιώνα, απέδειξε ότι συστήματα εκτεθειμένα σε τακτικές, επαναλαμβανόμενες δυνάμεις μπορούν να εισέλθουν σε νέες καταστάσεις κίνησης. Όταν ένα σύστημα οδηγείται ρυθμικά, μπορεί να αναπτύξει ταλαντώσεις που δεν θα υπήρχαν υπό σταθερές συνθήκες. Μέχρι τώρα, η δημιουργία αυτών των καταστάσεων Floquet απαιτούσε συνήθως έντονους παλμούς λέιζερ και μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
Η ομάδα της Δρέσδης ανακάλυψε ότι στις μαγνητικές δίνες, οι καταστάσεις Floquet μπορούν να αναδυθούν αυτόματα — υπό την προϋπόθεση ότι τα μαγνόνια διεγείρονται με επαρκή ένταση. Σε αυτή την περίπτωση, μεταφέρουν μέρος της ενέργειάς τους στον πυρήνα της δίνης, αναγκάζοντάς τον να εκτελέσει μια απειροελάχιστη κυκλική κίνηση γύρω από το κέντρο του. Αυτή η διακριτική κίνηση είναι επαρκής για να διαμορφώσει ρυθμικά τη μαγνητική κατάσταση.
Πειραματικά, το φαινόμενο εκδηλώνεται ως μια κτένα συχνοτήτων: αντί για έναν μεμονωμένο οξύ συντονισμό, εμφανίζεται μια ολόκληρη δέσμη από γραμμές σε τακτά διαστήματα — μοιάζοντας πολύ με έναν καθαρό τόνο που διασπάται σε μια σειρά αρμονικών συχνοτήτων. «Μείναμε έκπληκτοι από το γεγονός ότι μια τόσο απειροελάχιστη κίνηση του πυρήνα ήταν αρκετή για να μετασχηματίσει το οικείο φάσμα των μαγνονίων σε μια ολόκληρη σειρά νέων καταστάσεων», λέει ο Schultheiß.
Αυτό που κάνει τη συγκεκριμένη διαδικασία τόσο αξιοσημείωτη είναι η αποδοτικότητά της: μπορεί να ενεργοποιηθεί με εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια. Εκεί όπου άλλες διατάξεις απαιτούν παλμούς λέιζερ υψηλής ισχύος, εδώ αρκούν εισροές της τάξης των microwatt – ένα ελάχιστο κλάσμα της ισχύος που καταναλώνει ένα smartphone σε κατάσταση αναμονής (standby).
Αυτό ανοίγει ενδιαφέρουσες προοπτικές. Για παράδειγμα, τέτοιες κτένες συχνοτήτων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον συγχρονισμό διαφορετικών μεταξύ τους συστημάτων – συνδέοντας υπερταχέα φαινόμενα terahertz με τα συμβατικά ηλεκτρονικά ή με κβαντικά στοιχεία. Το αποκαλούμε “καθολικό προσαρμογέα”, εξηγεί ο Schultheiß.
Με χτένες μικροβάτ σε συχνότητα
«Όπως ένας προσαρμογέας USB επιτρέπει σε συσκευές με διαφορετικές υποδοχές να συνεργάζονται, τα μαγνόνια Floquet θα μπορούσαν να γεφυρώσουν συχνότητες που σε άλλη περίπτωση θα παρέμεναν ασύμβατες».
Κοιτάζοντας μπροστά, η ομάδα έχει ήδη σχέδια να διερευνήσει εάν αυτή η αρχή επεκτείνεται και σε άλλες μαγνητικές δομές. Το φαινόμενο μπορεί επίσης να αποδειχθεί πολύτιμο για την ανάπτυξη νέων υπολογιστικών αρχιτεκτονικών, καθώς θα μπορούσε να διευκολύνει τη σύζευξη μεταξύ μαγνονικών σημάτων, ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και κβαντικών συστημάτων.
«Από την μία πλευρά, η ανακάλυψή μας ανοίγει νέους δρόμους για την αντιμετώπιση θεμελιωδών ερωτημάτων στον μαγνητισμό», τονίζει ο Schultheiß. «Από την άλλη πλευρά, θα μπορούσε τελικά να χρησιμεύσει ως ένα πολύτιμο εργαλείο για τη διασύνδεση των πεδίων της ηλεκτρονικής, της σπιντρονικής και της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών».
Το πρόγραμμα Labmule, το οποίο αναπτύχθηκε στο HZDR και προσφέρεται ως εργαλείο αυτοματοποίησης εργαστηρίου, χρησιμοποιήθηκε για όλες τις μετρήσεις μαγνητικών στροβίλων, καθώς και για την αξιολόγηση δεδομένων από διάφορες συσκευές μέτρησης.