不可见光如何塑造高速计算的未来

　　这幅图显示了一对强烈的太赫兹激光脉冲驱动反铁磁材料中的自旋波，其在和频和差频上辐射非线性辐射。图片来源:图片由德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院的研究人员提供

　　一种新的超快co测定方法控制磁性材料可能使下一代信息处理技术成为可能。

　　由于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建立更快的信息处理系统的方法。一种可能的解决方案是使用电子自旋的模式，称为自旋波，以比传统计算机更快的速度传输和处理信息。到目前为止，一个主要的挑战是如何操纵这些超快的自旋波来做有用的工作。

　　自旋波操纵的突破

　　在一个重大的飞跃中，来自德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院的研究人员已经开发出一种开创性的方法，可以使用定制的光脉冲精确地操纵这些超快自旋波。他们的发现详细发表在《自然物理学》的两项研究中，由麻省理工学院研究生张竹全、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。

　　磁数据记录和自旋波

　　我们的智能手机、互联网和云计算背后的一个关键组成部分是磁性数据记录技术，用于存储和检索大量信息。这项技术依赖于对铁磁材料中的磁自旋态(上下)的操纵，表示二进制位“0”和“1”。这些自旋是微小的磁体，它们的排列决定了材料的磁性。

　　当研究人员用光撞击这些材料中的一组原子时，它们的自旋会以一种模式摆动，这种模式会在邻近的原子中荡起涟漪，就像石头掉进去时池塘里的波浪一样。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，一类特殊的磁性材料被称为反铁磁体，其自旋方向相反。这些材料中的自旋波通常比铁磁体中的自旋波快得多，因此在未来的高速信息处理架构中具有潜力。

　　研究人员用一种被称为正铁氧体的反铁磁体进行了实验。这种材料拥有一对不同的自旋波，通常彼此不交谈。通过使用人眼在极端红外频率下看不见的太赫兹(THz)光，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，使用强太赫兹场激发某个频率的自旋波可以引发另一个更高频率的自旋波，有点像拨动吉他弦时自然产生的谐波泛音。

　　发现和技术影响

　　“这真的让我们很惊讶，”张说。“这意味着我们可以非线性地控制这些磁系统中的能量流。”

　　在另一篇论文[2]中，他们发现激发两种不同的自旋波可以产生一种新的混合自旋波。巴尔迪尼说，这是特别令人兴奋的，因为它可以帮助推动自旋电子学技术进入一个新的领域，称为磁振学。在自旋电子学中，信息是由单个电子的自旋携带的。在磁振学中，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，你使用的是这些集体类型的自旋波，它同时涉及许多电子自旋，”巴尔迪尼说。“这可以让你获得自旋电子学无法达到的极快时间尺度，也可以以更有效的方式传输信息。”

　　先进光谱仪与技术发展

　　为了开展这项开创性的工作，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，并揭示它们潜在的对称性。

　　高说:“太赫兹光不像肉眼能轻易看到的可见光，很难被探测到。”“如果没有技术的发展，这些实验将是不可能的，这使我们能够仅用单个光脉冲测量太赫兹信号。”

　　引用:

　　太赫兹场驱动磁振子upco

　　张竹全，高毅，陈玉彻，刘子杰，乔

　　nathan B. Curtis, Eric R. Sung，马晓轩，任伟，曹世勋，Prineha Narang, Alexander von Hoegen, Edoardo Baldini和Keith A. Nelson, 2024年1月23日

　　自然物理．

　　DOI: 10.1038/s41567-023-02350-7“太赫兹场感应no

　　反铁磁体中两个磁振子模式的非线性耦合[j]

　　nathan B. Curtis、刘子杰、陈玉彻、Alexander von Hoegen、王文斗、栗原孝之、suemou Tohru、Prineha Narang、Edoardo Baldini和Keith A. Nelson, 2024年1月31日

　　自然物理．

　　DOI: 10.1038 / s41567 - 024 - 02386 - 3

　　这项工作主要得到了美国能源部基础能源科学办公室、罗伯特·韦尔奇基金会和美国陆军研究办公室的支持。