Eine kürzlich veröffentlichte Studie berichtet über eine Entdeckung in einem frühen Stadium auf dem Weg zur Entwicklung von Magnonic-Computern. Die Forscher verursachten zwei verschiedene Arten von Wellen im Magnetfeld einer dünnen Legierungsplatte, maßen die Ergebnisse und zeigten, dass die Magnonen auf nichtlineare Weise wechselwirkten. „Nichtlinear“ bedeutet, dass die Ausgabe nicht direkt proportional zur Eingabe ist - eine Notwendigkeit für jede Art von Computeranwendung.
Bislang konzentrierte sich die Forschung in diesem Bereich auf jeweils eine Art von Magnon unter relativ stabilen Bedingungen, die als Gleichgewicht bezeichnet werden. Eine Manipulation der Magnonen, wie sie in diesen Studien vorgenommen wird, bringt das System aus dem Gleichgewicht.
Bisher haben sich die meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet auf jeweils eine Art von Magnon konzentriert, und zwar unter relativ stabilen Bedingungen, die als Gleichgewicht bezeichnet werden. Eine Manipulation der Magnonen, wie sie in diesen Studien vorgenommen wird, bringt das System aus dem Gleichgewicht.
Internationales und interdisziplinäres Projekt
Dies ist eine von vielen Untersuchungen, die im Rahmen einer mehrjährigen Zusammenarbeit zwischen Theoretikern und Experimentatoren aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik durchgeführt werden, einschließlich einer zweiten Studie, die kürzlich erschienen ist. An dem Projekt, das von staatlichen und privaten Geldgebern unterstützt wird, sind Forscher der UCLA, des MIT, der University of Texas in Austin und der University of Tokyo in Japan beteiligt.
„Gemeinsam mit unseren Kollegen haben wir eine Kampagne gestartet, um den Fortschritt in der Nichtgleichgewichtsphysik voranzutreiben“, so Prineha Narang, Mitautorin der Studie und Professorin für Physik am UCLA College. „Was wir hier getan haben, bringt das Verständnis von Nicht-Gleichgewichts- und nichtlinearen Phänomenen grundlegend voran. Und es könnte ein Schritt in Richtung eines Computerspeichers sein, der ultraschnelle Phänomene nutzt, die in der Größenordnung von Milliardstel Sekunden auftreten.“
Eine Schlüsseltechnologie, die hinter diesen Erkenntnissen steht, ist eine fortschrittliche Technik zur Energiezufuhr und Bewertung von Proben mit Hilfe von Lasern mit Frequenzen im Terahertz-Bereich, der zwischen den Wellenlängen von Mikrowellen und Infrarotstrahlung liegt. Die aus der Chemie und der medizinischen Bildgebung übernommene Methode wird nur selten zur Untersuchung von Magnetfeldern eingesetzt.
Immer ausgereiftere Technologie
Laut Narang, die dem California NanoSystems Institute an der UCLA angehört, deutet der Einsatz von Terahertz-Lasern auf mögliche Synergien mit einer Technologie hin, die immer ausgereifter wird.
„Die Terahertz-Technologie selbst hat den Punkt erreicht, an dem wir über eine zweite Technologie sprechen können, die auf ihr aufbaut“, sagte Narang. „Es macht Sinn, diese Art von nichtlinearer Steuerung in einem Band durchzuführen, in dem wir Laser und Detektoren haben, die auf einem Chip untergebracht werden können. Jetzt ist es an der Zeit, wirklich voranzukommen, denn wir haben sowohl die Technologie als auch einen interessanten theoretischen Rahmen, um die Wechselwirkungen zwischen Magnonen zu untersuchen.“
Die Forscher setzten Laserpulse auf eine zwei Millimeter dicke Platte aus einer sorgfältig ausgewählten Legierung, die Yttrium enthält, ein Metall, das in LEDs und in der Radartechnik verwendet wird. In einigen Experimenten wurde ein zweiter Terahertz-Laser auf koordinierte Weise eingesetzt, was paradoxerweise zusätzliche Energie lieferte, aber auch zur Stabilisierung der Proben beitrug.
An das Yttrium wurde ein Magnetfeld in einer speziellen Weise angelegt, die nur zwei Arten von Magnonen zuließ. Die Forscher waren in der Lage, jede Art von Magnon einzeln oder beide gleichzeitig anzutreiben, indem sie die Probe in bestimmten Winkeln relativ zu den Lasern drehten. Sie konnten die Wechselwirkungen zwischen den beiden Typen messen und stellten fest, dass sie nichtlineare Reaktionen hervorrufen können.
Konvertierung verschiedener magnetischer Eingänge
„Die Demonstration dieser nichtlinearen Wechselwirkung wäre für jede Art von Anwendung, die auf Signalverarbeitung basiert, wichtig“, sagte Co-Autor Jonathan Curtis, ein UCLA-Postdoktorand im NarangLab. „Das Mischen solcher Signale könnte es uns ermöglichen, zwischen verschiedenen magnetischen Eingängen und Ausgängen zu konvertieren, was man für ein Gerät braucht, das auf die magnetische Manipulation von Informationen angewiesen ist.“
Narang sagte, dass Nachwuchswissenschaftler für die aktuelle Studie und das größere Projekt von entscheidender Bedeutung sind. „Dies ist ein wirklich schwieriges, mehrjähriges Unterfangen mit vielen Teilen“, sagte sie. „Welches ist das richtige System und wie können wir damit arbeiten? Wie können wir Vorhersagen machen? Wie schränken wir das System ein, damit es sich so verhält, wie wir es wollen? Ohne talentierte Studenten und Postdocs wären wir nicht in der Lage, dies zu tun“.
An der Studie beteiligt sind der MIT-Chemieprofessor Keith Nelson und der UT Austin-Physikprofessor Edoardo Baldini sowie das UCLA-Team unter der Leitung von Narang, das vom Quantum Science Center, einem nationalen Forschungszentrum für Quanteninformation des Energieministeriums mit Sitz am Oak Ridge National Laboratory, unterstützt wurde. Die Studie wurde in erster Linie vom Energieministerium sowie von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung, der Gordon and Betty Moore Foundation, der John Simon Guggenheim Memorial Foundation und der Japan Society for the Promotion of Science unterstützt, die alle die Zusammenarbeit kontinuierlich fördern.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
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