"Elektromagnonika" - co to jest i dlaczego wzbudza rosnące zainteresowanie. Na spinowej fali
Dla mniej wtajemniczonych nie brzmi to może zbyt ekscytująco, ale rozwiązania te pozwalają na kontrolę w czasie rzeczywistym transferu informacji pomiędzy fotonami promieniowania mikrofalowego i magnonami, kwazicząstkami opisującymi elementarny kwant propagujących się wzbudzeń spinowych w krysztale, zwanych również "falami spinowymi" (1). Magnonika lub też elektromagnonika, której nazwa pochodzi od tych cząstek-fal chce wykorzystywać je jako nośnik informacji.
Naukowcy podkreślają, że opracowany przez amerykańskich uczonych hybrydowy system umożliwiłby praktyczne zastosowania, które nie są możliwe przy użyciu obecnych nośników informacji jednego tylko typu. Naukowcy od dawna poszukiwali sposobu na spójne działanie bramki (kontrola nad włączeniem, wyłączeniem i czasem trwania interakcji magnon-foton).
W teorii można to osiągnąć przez szybkie dostrajanie poziomów energetycznych pomiędzy fotonem i magnonem. Jednak proces ten wymaga znacznie więcej czasu niż czas życia magnonu, który wynosi około 100 nanosekund (jedna setna miliardowej części sekundy). Aby mechanizm szybkiego dostrajania działał między dwoma cząsteczkami i mógł pozwolić na kontrolę bramkowania w czasie rzeczywistym, czas trwania tego procesu musi mieścić się w czasie życia magnonu.
Aby to osiągnąć, zespół badawczy zastosował nowatorską technikę dostrajania poziomu energii, co pozwoliło na szybkie przełączanie pomiędzy stanami magnonu i fotonu w czasie od 10 do 100 nanosekund. Według wyników opublikowanych w "Physical Review Letters", badaczom udało się kontrolować przepływ informacji tak, że jest ona albo w fotonie, albo w całości w magnonie, lub gdzieś pomiędzy nimi. Jest to możliwe dzięki nowemu projektowi urządzenia, który pozwala na nanosekundowe dostrajanie pola magnetycznego, kontrolującego poziom energii magnonu.
Jak już wcześniej sugerowano, największą zaletą tej nowatorskiej techniki jest to, że nie tylko sprawdza się ona w klasycznych obliczeniach, ale może być również zastosowana do manipulowania stanami magnonów w maszynach kwantowych.
Magnonika jest młodą dziedziną, porównywaną z innymi, również stosunkowo nowymi, gałęziami badań, spintroniką, fotonika i plazmoniką. Łączy się z jeszcze z innym, świeżym i wciąż dość enigmatycznie brzmiącym nurtem badań nad kryształami czasu.
Jak się okazuje, jest możliwe zbudowanie kryształu czasowego z magnonów. Przepływami fal magnetycznych przez czasoprzestrzenne kryształy magnoniczne zajmuje się m.in. polski Instytut Fizyki Jądrowej PAN.
Poznawanie świata magnonów zmierza do budowy alternatywnych wobec nie tylko konwencjonalnej elektroniki, ale również w stosunku do nowszych rozwiązań, będących wciąż jeszcze obszarem badań, fotoniki czy spintroniki. Interesującym w amerykańskich eksperymentach wątkiem jest sugestia, że kontrolowane układy elektromagnoniczne mogłyby zostać zastosowane w systemach kwantowych.
Informacja przenoszona przez prąd spinowy i falę spinową może być przetwarzana bardzo szybko w urządzeniach o rozmiarach nanometrowych i, co istotne w odniesieniu do układów elektronicznych, z niewielkimi stratami energii w postaci wydzielanego ciepła.
Informacja, zapisana w kwantowych własnościach badanych układów, ujawnia w szczególnych warunkach swój nielokalny charakter. Pozwala to na wykonywanie niespotykanych w makroświecie operacji logicznych oraz obliczeń. Otwiera również drogę do implementacji algorytmów kwantowych, umożliwiających rozwiązywanie złożonych problemów obliczeniowych, które są poza zasięgiem klasycznych komputerów, opartych na konwencjonalnych układach elektronicznych.
Mirosław Usidus
