اپتیک و کوانتوم

محبوبیت رو به رشد هوش مصنوعی با تمایل روزافزون به دستگاه‌های محاسباتی سریع و کارآمد همراه است و راه‌های جدیدی برای ذخیره و پردازش اطلاعات را می‌طلبد. جریان های الکتریکی در دستگاه های معمولی از اتلاف انرژی و متعاقب آن گرم شدن محیط رنج می برند. یکی از جایگزین‌های جریان‌های الکتریکی «اتلاف»، ذخیره و پردازش اطلاعات در امواج، با استفاده از اسپین‌های الکترون‌ها به جای بارهایشان است. این اسپین ها را می توان به عنوان واحدهای ابتدایی آهنرباها دید.

دکتر Rostislav Mikhaylovskiy از دانشگاه لنکستر گفت: "کشف ما برای محاسبات مبتنی بر امواج اسپینی در آینده ضروری خواهد بود. امواج اسپینی حامل اطلاعات جذابی هستند زیرا جریان الکتریکی را درگیر نمی کنند و بنابراین از تلفات مقاومتی رنج نمی برند." سال‌هاست که مشخص شده است که اسپین‌ها را می‌توان از جهت‌گیری تعادل خود خارج کرد. پس از این اختلال، اسپین ها شروع به پیشروی (یعنی چرخش) در اطراف موقعیت تعادل خود می کنند. در آهن‌ربا، اسپین‌های همسایه به شدت جفت می‌شوند و یک مغناطش خالص را تشکیل می‌دهند. با توجه به این جفت شدگی، تقدم اسپین می تواند در مواد مغناطیسی منتشر شود و موج اسپین را ایجاد کند.

محققان از این واقعیت استفاده کرده‌اند که بالاترین فرکانس ممکن چرخش‌های اسپینی را می‌توان در موادی یافت که در آن اسپین‌های مجاور نسبت به یکدیگر خمیده می‌شوند. برای تحریک چنین دینامیک چرخشی سریع، آنها از یک پالس نور بسیار کوتاه استفاده کردند که مدت آن کوتاهتر از دوره موج اسپین است، یعنی کمتر از یک تریلیونم ثانیه. ترفند تولید موج اسپین فوق سریع در مقیاس نانو در انرژی فوتون پالس نور است. مواد مورد مطالعه جذب بسیار قوی در انرژی‌های فوتون فرابنفش (UV) را نشان می‌دهند، که تحریک را در یک ناحیه بسیار نازک در فاصله چند ده نانومتری از سطح مشترک قرار می‌دهد که امکان ظاهر شدن امواج اسپینی با فرکانس تراهرتز (یک تریلیون هرتز) در طول موج های زیر میکرومتری را فراهم می‌کند. دینامیک چنین امواج اسپینی ذاتاً غیرخطی است، به این معنی که امواج با فرکانس ها و طول موج های مختلف می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

محققان اکنون برای اولین بار به این امکان در عمل پی برده اند. آنها با تحریک سیستم نه تنها با یک، بلکه با دو پالس لیزری شدید که با تاخیر زمانی کوتاهی از هم جدا شده اند، به این امر دست یافتند. نویسنده اول روبن لیندرز، دکترای سابق. دانشجوی دانشگاه لنکستر گفت: "در یک آزمایش تحریک تک پالس معمولی، ما به سادگی انتظار داریم که دو موج اسپینی با یکدیگر تداخل داشته باشند، مانند هر موجی. با این حال، با تغییر زمان تاخیر بین دو پالس، متوجه شدیم که این برهم نهی دو موج برقرار نیست." این تیم مشاهدات را با در نظر گرفتن جفت شدن موج اسپینی از قبل برانگیخته شده با پالس نور دوم توضیح داد. نتیجه این کوپلینگ این است که وقتی اسپین‌ها از قبل در حال چرخش هستند، پالس نور دوم یک ضربه اضافی به اسپین‌ها می دهد. قدرت و جهت این ضربه بستگی به وضعیت انحراف اسپین‌ها در زمان رسیدن این پالس نوری دوم را دارد. این مکانیزم امکان کنترل خواص امواج اسپینی مانند دامنه و فاز آنها را به سادگی با انتخاب تاخیر زمانی مناسب بین تحریکات فراهم می کند.

More information: Ruben Leenders et al, Canted spin order as a platform for ultrafast conversion of magnons, Nature (2024)