Pesquisadores da Lancaster University e da Radboud University Nijmegen conseguiram gerar ondas de spin de propagação em nanoescala e descobriram um novo caminho para modulá-las e amplificá-las.



A descoberta deles, publicada na Nature , poderá abrir caminho ao desenvolvimento de tecnologias de informação quântica isentas de dissipação. Como as ondas de spin não envolvem correntes elétricas, esses chips estarão livres de perdas de energia associadas.

A crescente popularidade da inteligência artificial vem acompanhada de um desejo crescente por dispositivos de computação rápidos e energeticamente eficientes e exige novas formas de armazenar e processar informações. As correntes elétricas em dispositivos convencionais sofrem com perdas de energia e consequente aquecimento do ambiente.

Uma alternativa para as correntes elétricas “com perdas” é armazenar e processar informações em ondas, usando os spins dos elétrons em vez de suas cargas. Esses spins podem ser vistos como unidades elementares de ímãs.

O autor principal, Rostislav Mikhaylovskiy, da Universidade de Lancaster, disse:"Nossa descoberta será essencial para a futura computação baseada em ondas de spin. As ondas de spin são um portador de informação atraente, pois não envolvem correntes elétricas e, portanto, não sofrem perdas resistivas."

Já se sabe há muitos anos que os spins podem ser expulsos de sua orientação de equilíbrio. Após esta perturbação, os spins começam a precessar (ou seja, girar) em torno de sua posição de equilíbrio. Nos ímãs, os spins vizinhos estão extremamente fortemente acoplados, formando uma magnetização líquida. Devido a este acoplamento, a precessão do spin pode se propagar no material magnético, dando origem a uma onda de spin.

"A observação da conversão não linear de magnons de propagação coerente em nanoescala, que é um pré-requisito para qualquer processamento prático de dados baseado em magnons, tem sido procurada por muitos grupos em todo o mundo há mais de uma década. Portanto, nosso experimento é um marco para estudos de ondas de spin, que tem o potencial de abrir uma nova direção de pesquisa em magnônica coerente ultrarrápida, com foco no desenvolvimento de tecnologias de informação quântica livres de dissipação."

Os pesquisadores aproveitaram o fato de que as frequências mais altas possíveis das rotações de spin podem ser encontradas em materiais nos quais os spins adjacentes são inclinados uns em relação aos outros.

Para excitar essa dinâmica de rotação rápida, eles usaram um pulso de luz muito curto, cuja duração é menor que o período da onda de rotação, ou seja, menos de um trilionésimo de segundo. O truque para gerar a onda de spin ultrarrápida em nanoescala está na energia do fóton do pulso de luz.

O material de estudo exibe absorção extremamente forte em energias de fótons ultravioleta (UV), o que localiza a excitação em uma região muito fina de apenas algumas dezenas de nanômetros da interface, o que permite ondas de spin com frequências terahertz (um trilhão de Hertz) e comprimentos de onda submicrométricos surgirão.

A dinâmica de tais ondas de spin é intrinsecamente não linear, o que significa que as ondas com diferentes frequências e comprimentos de onda podem ser convertidas umas nas outras.

Os pesquisadores perceberam agora, pela primeira vez, essa possibilidade na prática. Eles conseguiram isso excitando o sistema não com apenas um, mas com dois pulsos de laser intensos, separados por um curto atraso.

Primeiro autor Ruben Leenders, ex-Ph.D. estudante da Lancaster University, disse:"Em um experimento típico de excitação de pulso único, esperaríamos simplesmente que as duas ondas de spin interferissem uma na outra como qualquer onda. No entanto, variando o atraso de tempo entre os dois pulsos, descobrimos que isso a superposição das duas ondas não se sustenta."

A equipe explicou as observações considerando o acoplamento da onda de spin já excitada com o segundo pulso de luz. O resultado desse acoplamento é que quando os spins já estão girando, o segundo pulso de luz dá um impulso adicional aos spins.

A força e a direção desse chute dependem do estado de deflexão dos giros no momento em que chega esse segundo pulso de luz. Este mecanismo permite o controle sobre as propriedades das ondas de spin, como sua amplitude e fase, simplesmente escolhendo o atraso de tempo apropriado entre as excitações.