Muitos de nós passamos por portões todos os dias - pontos de entrada e saída para um espaço como um jardim, parque ou metrô. A eletrônica também tem portões. Eles controlam o fluxo de informações de um lugar para outro por meio de um sinal elétrico. Ao contrário de um portão de jardim, esses portões exigem controle de sua abertura e fechamento muitas vezes mais rápido do que um piscar de olhos.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago desenvolveram um meio único de alcançar uma operação de porta eficaz com uma forma de processamento de informações chamada eletromagnética. Sua descoberta fundamental permite o controle em tempo real da transferência de informações entre fótons e magnons de micro-ondas. E isso pode resultar em uma nova geração de dispositivos de sinais eletrônicos e quânticos clássicos que podem ser usados ​​em várias aplicações, como comutação de sinal, computação de baixo consumo e rede quântica.

Fótons de micro-ondas são partículas elementares que formam as ondas eletromagnéticas empregadas em, por exemplo, comunicações sem fio. Os magnons são os representantes parecidos com partículas das "ondas de spin". Isso é, distúrbios semelhantes a ondas em uma matriz ordenada de spins alinhados microscopicamente que ocorrem em certos materiais magnéticos.

"Muitos grupos de pesquisa estão combinando diferentes tipos de suportes de informação para o processamento da informação, "disse Xufeng Zhang, cientista assistente no Center for Nanoscale Materials, um DOE Office of Science User Facility em Argonne. "Esses sistemas híbridos permitiriam aplicações práticas que não são possíveis com portadores de informações de um único tipo."

"O processamento de sinais que acopla ondas de spin e micro-ondas é um ato de alta velocidade, "acrescentou Zhang." O sinal deve permanecer coerente apesar das dissipações de energia e outros efeitos externos que ameaçam lançar o sistema na incoerência. "

Operação de portão coerente (controle ligado, fora e duração da interação magnon-fóton) tem sido um objetivo há muito procurado em sistemas magnônicos híbridos. Em princípio, isso pode ser alcançado por meio do rápido ajuste dos níveis de energia entre o fóton e o magnon. Contudo, tal ajuste depende da mudança da configuração geométrica do dispositivo. Isso normalmente requer muito mais do que o tempo de vida do magnon - na ordem de 100 nanossegundos (cem bilionésimos de segundo). Essa falta de um mecanismo de sintonia rápida para a interação de magnons e fótons tornou impossível obter qualquer controle de passagem em tempo real.

Usando um novo método envolvendo ajuste de nível de energia, a equipe foi capaz de alternar rapidamente entre os estados magnônico e fotônico durante um período mais curto do que a vida do magnon ou do fóton. Este período é de apenas 10 a 100 nanossegundos.

"Começamos sintonizando o fóton e o magnon com um pulso elétrico para que tenham o mesmo nível de energia, "disse Zhang." Então, a troca de informações começa entre eles e continua até que o pulso elétrico seja desligado, que desloca o nível de energia do magnon para longe daquele do fóton. "

Por este mecanismo, Zhang disse, a equipe pode controlar o fluxo de informações de modo que esteja tudo no fóton ou no magnão ou em algum lugar intermediário. Isso é possível graças a um novo design de dispositivo que permite o ajuste de nanossegundos de um campo magnético que controla o nível de energia do magnon. Esta capacidade de ajuste permite a operação de porta coerente desejada.

Esta pesquisa aponta para uma nova direção para os eletromagnéticos. Mais importante, o mecanismo demonstrado não funciona apenas no regime de eletrônica clássico, mas também pode ser prontamente aplicado para manipular estados magnônicos no regime quântico. Isso abre oportunidades para o processamento de sinais baseados em eletromagnéticos em computação quântica, comunicações e sensoriamento.

Esta pesquisa foi parcialmente financiada pelo DOE Office of Basic Energy Sciences. Foi relatado em Cartas de revisão física , em um artigo intitulado "Operações de porta coerente em magnônica híbrida".