不可见光如何塑造高速计算的未来

控制磁性材料的新超快方法可能使下一代信息处理技术成为可能。

随着对计算资源的需求持续快速增长，科学家和工程师正在寻找方法来构建更快的信息处理系统。一种可能的解决方案是使用电子自旋模式（称为自旋波）来传输和处理信息，比传统计算机快得多。到目前为止，一个主要的挑战是操纵这些超快自旋波来做有用的工作。

自旋波操纵的突破

德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院的研究人员开发了一种开创性的方法，使用定制的光脉冲精确操纵这些超快自旋波。他们的研究结果在《自然物理学》的两项研究中进行了详细说明，该研究由麻省理工学院研究生Zhuquan Zhang，德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员Frank Gao，麻省理工学院化学教授Keith Nelson和德克萨斯大学奥斯汀分校物理学助理教授Edoardo Baldini领导。

磁性数据记录和自旋波

我们的智能手机、互联网和云计算的一个关键组成部分是用于存储和检索大量信息的磁性数据记录技术。该技术取决于对铁磁材料中磁自旋态（向上和向下）的操纵，代表二进制位“0”和“1”。这些自旋是微小的磁铁，其排列决定了材料的磁性。

当研究人员用光击中这些材料中的一组原子时，它会导致它们的自旋以一种模式摆动，这种模式在相邻的原子中荡漾开来，就像石头掉进去时池塘上的波浪一样。这是一个自旋波。

反铁磁体和高速加工

与这些传统的数据存储材料不同，一类称为反铁磁体的特殊磁性材料具有相反方向排列的自旋。这些材料中的自旋波通常比铁磁体中的自旋波快得多，因此具有未来高速信息处理架构的潜力。

研究人员对一种称为正交铁氧体的反铁磁体进行了实验。这种材料具有一对不同的自旋波，通常不会相互通信。通过使用太赫兹（THz）光，在极端红外频率下人眼不可见，研究人员成功地使这些自旋波相互作用。

在一篇论文^中，[1]他们表明，使用强烈的太赫兹场激发特定频率的自旋波可以引发另一个更高频率的自旋波，有点像吉他弦拨动时自然产生的谐波泛音。

发现和技术影响

“这真的让我们感到惊讶，”张说。“这意味着我们可以非线性地控制这些磁系统内的能量流。

在另一篇论文^中[2]，他们发现两种不同自旋波的激发可以产生一种新的混合自旋波。Baldini说，这特别令人兴奋，因为它可以帮助将该技术从自旋电子学推向一个称为磁力学的新领域。在自旋电子学中，信息在单个电子的自旋中携带。在磁振子中，信息以自旋波（也称为磁振子）的形式携带。

“在这里，与自旋电子学不同，你正在使用这些集体类型的自旋波，这些自旋波同时涉及许多电子自旋，”Baldini说。“这可以使你达到极快的时间尺度，这是自旋电子学无法达到的，并且还可以以更有效的方式移动信息。

高级光谱仪和技术开发

为了进行这项开创性的工作，研究人员开发了一种复杂的光谱仪，以揭示不同自旋波之间的相互耦合，并揭示它们的潜在对称性。

“与肉眼容易看到的可见光不同，太赫兹光很难检测，”高说。“如果没有技术开发，这些实验将是不可能的，这使我们能够仅用一个光脉冲测量太赫兹信号。”