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打开通往下一代信息处理的大门

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我们中的许多人每天都穿过大门——进入和退出花园、公园或地铁等空间的点 。电子产品也有门 。它们通过电信号控制信息从一个地方到另一个地方的流动 。与花园大门不同的是，这些大门需要以比眨眼的速度快许多倍的速度控制其打开和关闭 。
信息处理新方法：通过打开和关闭电脉冲(底部方波)来控制磁振子(红色阴影区域)和微波光子(蓝色阴影区域)之间的相干信息交换(黑色波浪线) 。(图片来自阿贡实验室的 Xufeng Zhang 。)
能源部 ( DOE ) 阿贡实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们设计了一种独特的方法，通过一种称为电磁学的信息处理形式实现有效的门操作 。他们的关键发现允许实时控制微波光子和磁振子之间的信息传输 。它可能会产生新一代经典电子和量子信号设备，可用于各种应用，如信号切换、低功耗计算和 量子网络 。
“耦合自旋波和微波的信号处理是一项高线行为 。尽管耗散和其他外部效应有可能使系统陷入不连贯状态，但信号必须保持连贯 。” — 张旭峰，纳米材料中心助理科学家
微波光子是形成电磁波的基本粒子，例如用于无线通信 。磁子是类似粒子的代表 a <“自旋波” 。也就是说，在某些磁性材料中发生的微观排列的自旋有序阵列中的波状扰动 。
“许多研究小组正在结合不同类型的信息载体进行信息处理，”能源部 阿贡科学用户设施办公室纳米材料中心助理科学家张旭峰说。“这样的混合系统将启用是不可能用单一类型的信息载体的实际应用 。”
“耦合自旋波和微波的信号处理是一种高线行为，”张补充道 。“信号必须尽管能量耗散，并威胁到系统投入到不连贯其他外部影响仍然一致 。”
相干门操作(控制磁振子-光子相互作用的开、关和持续时间)一直是混合磁子系统中长期追捧的目标 。原则上，这可以通过快速调整光子和磁振子之间的能级来实现 。然而，这种调整依赖于改变设备的几何配置 。这通常需要比磁振子寿命长得多的时间——大约 100 纳秒(十亿分之一秒) 。由于缺乏用于相互作用的磁振子和光子的快速调谐机制，因此无法实现任何实时门控 。
使用涉及能级调谐的新方法，该团队能够在比磁子或光子寿命更短的时间内在磁子和光子状态之间快速切换 。这个周期只有 10 到 100 纳秒 。
“我们首先用电脉冲调整光子和磁振子，使它们具有相同的能级，”张说 。“然后，信息交换它们之间开始并继续进行，直到电脉冲被关断，这将这个磁振子从该光子之外的能量水平” 。
张说，通过这种机制，该团队可以控制信息流，使其全部在光子中或全部在磁振子中或介于两者之间的某个位置 。这是通过一种新颖的设备设计实现的，该设计允许对控制磁振子能级的磁场进行纳秒级调谐 。这种可调性允许所需的相干门操作 。
这项研究为电磁学指明了一个新的方向 。最重要的是，所证明的机制不仅适用于经典电子体制，而且还可以很容易地应用于操纵量子体制中的磁子态 。这为量子计算、通信和传感中基于电磁学的信号处理提供了机会。
这项研究得到了能源部 基础能源科学办公室的部分支持。据报道，在 物理评论快报，在一篇题为“相干门操作混合动力车magnonics 。” 除了张之外，作者还有徐静、长春钟、许涵、金大飞和梁江 。
【打开通往下一代信息处理的大门】

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