Мы постоянно проходим через ту или иную форму дверей — переходя из комнаты в комнату, спускаясь в метро, заходя в парки и т.п.. В электронике тоже существуют своеобразные "ворота". Они управляют потоком информации из одного места в другое с помощью электрического сигнала. В отличие от обычных раздвижных дверей в торговом центре, эти ворота требуют контроля над их открытием и закрытием в каждый момент времени.
Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета разработали уникальные средства достижения эффективной работы затвора с помощью формы обработки информации, называемой электромагноникой. Разработанная технология позволяет в реальном времени управлять передачей информации между микроволновыми фотонами и магнонами. И это может привести к появлению нового поколения классических электронных и квантовых устройств, которые можно будет использовать в различных сферах, включая квантовые сети.
Микроволновые фотоны — это элементарные частицы, образующие электромагнитные волны, используемые, например, в беспроводной связи. Магноны — это частицоподобные представители "спиновых волн". То есть волновые возмущения в упорядоченном массиве выровненных под микроскопом спинов, которые возникают в определенных магнитных материалах.
Многие исследовательские группы комбинируют различные типы носителей информации для обработки информации. Такие гибридные системы показывают свойства, которые не представляется возможным добиться от носителей информации одного типа. При всех приемуществах, у таких систем есть один серьезный недостаток. Обработка сигналов, объединяющая спиновые волны и микроволны, — это высокотехнологичный процесс. Сигнал должен оставаться когерентным, несмотря на внешние воздействия, к которым относится даже рассеивание энергии при переключении потока.
Когерентная работа затвора (контроль включения, выключения и длительности магнон-фотонного взаимодействия) была очень желанной технологией в гибридных магнонных системах. В принципе, этого можно достичь быстрой перестройкой уровней энергии между фотоном и магноном. Однако такая настройка зависела от изменения геометрической конфигурации устройства. Обычно для этого требуется гораздо больше времени, чем время жизни магнона — порядка 100 наносекунд (одна сотая миллиардных доли секунды). Отсутствие механизма быстрой настройки для взаимодействия магнонов и фотонов сделало невозможным достижение какого-либо управления стробированием в реальном времени.
Используя новый метод, включающий настройку уровня энергии, команда смогла быстро переключаться между магнонным и фотонным состояниями в течение периода, меньшего, чем время жизни магнона или фотона. Этот период составляет от 10 до 100 наносекунд.
Суть метода достаточно проста: все начинается с настройки фотона и магнона с помощью электрического импульса, чтобы у них был одинаковый уровень энергии. Тогда, обмен информацией между ними начинается и продолжается до тех пор, пока электрический импульс выключен. После "включения" импульс сдвигает уровень энергии магнонной вдали от фотона.
С помощью этого механизма, команда может управлять потоком информации так, чтобы вся информация находилась в фотоне, или все в магноне, или в каком-то промежуточном месте. Это стало возможным благодаря новой конструкции устройства, которое позволяет настраивать магнитное поле с помощью наносекундной длительности, которое контролирует уровень энергии магнонов. Эта возможность настройки обеспечивает желаемую когерентную работу затвора.
Это исследование указывает на новое направление электромагноники. Что наиболее важно, продемонстрированный механизм не только работает в режиме классической электроники, но также может быть легко применен для управления магнонными состояниями в квантовом режиме. Это открывает возможности для обработки сигналов на основе электромагнетизма в квантовых вычислениях и коммуникациях.
