「产业前沿」耦合磁性材料在量子应用中表现出有趣的性质
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Argonne的研究人员发现了一个新的平台 ， 可以在交换耦合的磁性薄膜双分子层中利用magnons进行相干信息转导 。 结果显示了自旋电子学和量子应用的基础物理和器件潜力的新见解 。 资料来源:阿贡国家实验室
来源：杰瑞德·萨格夫 ， 阿贡国家实验室
就像同步吹动的风扇一样 ， 某些磁性材料可以表现出有趣的能量特性 。 为了找到传输和处理信息的新方法 ， 科学家们已经开始探索电子和磁性自旋的行为 ， 特别是它们作为信息载体的共振激发态 。 在某些情况下 ， 研究人员发现了一些新现象 ， 这些现象可能最终有助于为自旋电子和量子应用开发新设备 。
美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)进行的一项新研究中 ， 研究人员发现了一种新方法 ， 可以通过两种不同薄膜的共同界面将磁自旋的激励强烈耦合在一起 。 这种动态耦合代表了一种混合系统 ， 它越来越受到对量子信息系统感兴趣的科学家的关注 。
阿贡的博士后研究员、第一作者李毅说:“一种理解方法是 ， 就好像弹簧上有两对质量 。 ”“我们知道 ， 当弹簧受到外力撞击时 ， 与弹簧相连的每个质量都会周期性地摆动 。 但是如果我们把两个质量和第三个弹簧连接起来 ， 那么一个质量的振荡也会触发另一个质量的振荡 ， 这个振荡可以用来在弹簧之间交换信息 。 第三个弹簧的作用是由两个磁层之间的界面交换耦合来实现的 。
通过一些巧妙的工程技术 ， 研究人员可以将两层磁旋的自由振荡频率——“质量”——设定为相同的频率 ， 使之最有利于耦合 。 此外 ， 他们还表明 ， 这两个系统可以“强”耦合 ， 这种状态对保持相干性很重要 ， 并可能激发量子信息的应用 。
除了强耦合状态外 ， 研究人员还发现了磁双分子层中另一种新的效应 ， 这种效应会影响其激发的相干性:一边可以向另一边泵入能量 ， 即自旋电流 。 一个引人注目的和有趣的行为有关新的动态耦合涉及到两层之间的能量交换磁性材料 。
根据伊利诺伊大学材料科学家和研究作者阿克塞尔·霍夫曼的说法 ， 每一层都有一段特定的时间 ， 在这段时间内磁化动力学通常会独立持续 。 然而 ， 随着自旋电流推动自旋向特定方向的引入 ， 可以有足够的能量转移 ， 从而使磁化动力学在其中一层中持续更长时间 。
“我们知道存在一种刚性耦合 ， 但事实是 ， 另一种动态耦合也很重要 ， 而且重要到我们不能忽视它 ， ”Hoffmann说 。 “对于量子信息系统来说 ， 游戏的名字就是获取一些激励 ， 然后以某种方式操纵它 ， 或者把它转换成另一种激励 ， 这就是我们在这里所做的事情的核心 。 ”
“这两层材料之间存在一种内在的磁性相互作用 ， ”李补充道 。 “我们可以施加一个磁场 ， 然后我们就可以确定这两层泵送的是同相还是反相 。 这种受控的相互作用原则上是人们在量子信息处理中所做的事情 。 ”
根据霍夫曼的说法 ， 实验开始于两个磁性系统的识别 ， 研究人员知道这两个系统是耦合在一起的 。 通过试图使耦合尽可能地强到可以与材料中的单个激发态相比较 ， 研究人员能够看到自旋泵送能量转移是如何产生的额外细节 。
【「产业前沿」耦合磁性材料在量子应用中表现出有趣的性质】《物理评论快报》3月17日刊登了一篇基于该研究的论文《强耦合磁-磁-非混合系统中的相干自旋泵浦》 。 该研究的其他作者包括Argonne的张志志、Jonathan Gibbons、John Pearson、Valentine Novosad和Wei Zhang;国家标准与技术研究所的Paul Haney, Mark Stiles和Vivek Amin;哥伦比亚大学的曹伟和威廉·贝利;韦恩州立大学的约瑟夫·斯克莱纳 。
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