Foto: Katrin and Helmut Schultheiß

Objev nových stavů v magnetických vírech

Vědci z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) objevili nové oscilační vzory, známé jako Floquetovy stavy, uvnitř extrémně malých magnetických vírů. Tento objev, který byl publikován v časopise Science, představuje významný krok vpřed v oblasti základní fyziky a může sloužit jako univerzální spojovací prvek mezi elektronikou, spintronikou a kvantovými technologiemi.

Autor původního článku: redakce

Magnetické víry a jejich význam

Magnetické víry se tvoří v ultratenkých discích z materiálů jako je nikl-železo, často o velikosti jen několik mikrometrů nebo dokonce nanometrů. Uvnitř těchto struktur se malé magnetické momenty, které se chovají jako miniaturní kompasové jehly, uspořádávají do kruhových vzorů. Když jsou narušeny, vlny se šíří systémem podobně jako vlna v davu na stadionu. Tyto kolektivní vlnové excitace jsou známé jako magnony.

„Tyto magnony mohou přenášet informace skrze magnet bez potřeby transportu náboje,“ vysvětluje vedoucí projektu Dr. Helmut Schultheiß z Institutu pro fyziku iontových paprsků a materiálový výzkum při HZDR. „Tato schopnost je činí velmi atraktivními pro výzkum technologií příští generace výpočetní techniky.“

Neočekávané frekvenční hřebeny

Výzkumníci experimentovali s obzvláště malými magnetickými disky, které zmenšili z několika mikrometrů na pouhých několik stovek nanometrů. Jejich cílem bylo prozkoumat, jak velikost disku může ovlivnit neuromorfní výpočetní techniku, což je přístup inspirovaný mozkem pro zpracování informací. Během analýzy dat však zaznamenali něco neobvyklého. Místo jediného rezonančního signálu některé disky produkovaly sérii těsně rozmístěných čar, tvořících to, co je známé jako frekvenční hřeben.

„Zpočátku jsme předpokládali, že se jedná o měřicí artefakt nebo nějaký druh interference,“ vzpomíná Schultheiß. „Ale když jsme experiment zopakovali, efekt se znovu objevil. To bylo okamžik, kdy jsme si uvědomili, že se díváme na něco skutečně nového.“

Rotující jádro víru a nové oscilační stavy

Vysvětlení sahá zpět k práci francouzského matematika Gastona Floqueta, který v 19. století ukázal, že systémy vystavené periodickým silám mohou vyvinout zcela nové oscilační stavy. Obvykle bylo k vytvoření těchto Floquetových stavů zapotřebí velkých energetických vstupů, často dodávaných intenzivními laserovými pulzy. V tomto případě výzkumníci zjistili, že magnetické víry mohou přirozeně produkovat Floquetovy stavy, když jsou magnony dostatečně energizovány. Magnony přenášejí část své energie do jádra víru, což způsobuje jeho pohyb v malém kruhovém vzoru kolem jeho středu. I tento malý pohyb stačí k rytmické změně magnetického stavu.

„Byli jsme ohromeni, že tak malý pohyb jádra stačil k transformaci známého spektra magnonů na celou řadu nových stavů,“ říká Schultheiß.

Průlom s ultra nízkou spotřebou energie

Jedním z nejpozoruhodnějších aspektů objevu je, jak málo energie vyžaduje. Zatímco předchozí metody závisely na vysoce výkonných laserech, tento efekt může být vyvolán s mikrowatty energie, což je mnohem méně než spotřebuje smartphone v pohotovostním režimu. Tato efektivita otevírá nové možnosti. Frekvenční hřebeny generované tímto způsobem by mohly pomoci synchronizovat velmi odlišné systémy, propojující ultrarychlé terahertzové signály s konvenční elektronikou nebo dokonce kvantovými zařízeními.

„Říkáme tomu univerzální adaptér,“ vysvětluje Schultheiß. „Stejně jako USB adaptér umožňuje zařízením s různými konektory spolupracovat, Floquetovy magnony by mohly propojit frekvence, které by jinak zůstaly nekompatibilní.“

Budoucnost výpočetní techniky a kvantová integrace

Tým plánuje zkoumat, zda stejný mechanismus lze aplikovat na jiné magnetické struktury. Objev by mohl hrát důležitou roli ve vývoji budoucích výpočetních systémů tím, že umožní komunikaci mezi signály založenými na magnonech, elektronickými obvody a kvantovými komponenty.

„Na jedné straně náš objev otevírá nové cesty pro řešení základních otázek v magnetismu,“ zdůrazňuje Schultheiß. „Na druhé straně by mohl nakonec sloužit jako cenný nástroj k propojení oblastí elektroniky, spintroniky a kvantové informační technologie.“

Veškerá měření magnetických vírů a analýza dat z více přístrojů byla provedena pomocí programu Labmule vyvinutého v HZDR, který je dostupný jako nástroj pro automatizaci laboratoře.