Fizycy kwantowi z Politechniki w Delft po raz pierwszy wykazali, że możliwe jest kontrolowanie i manipulowanie falami spinowymi w chipie za pomocą nadprzewodników. Te maleńkie fale w magnesach mogą w przyszłości stanowić alternatywę dla elektroniki, interesującą na przykład w przypadku energooszczędnych technologii informatycznych lub elementów łączących w komputerze kwantowym. Odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Science, daje fizykom przede wszystkim nowy wgląd w interakcję między magnesami i nadprzewodnikami.
Energooszczędny zamiennik
„Fale spinowe to fale w materiale magnetycznym, które możemy wykorzystać do przesyłania informacji” – wyjaśnia Michael Borst, który kierował eksperymentem. „Ponieważ fale spinowe mogą stanowić obiecujący element konstrukcyjny energooszczędnego zamiennika elektroniki, naukowcy od lat szukają skutecznego sposobu kontrolowania fal spinowych i manipulowania nimi”.
Teoria przewiduje, że elektrody metalowe zapewniają kontrolę nad falami spinowymi, ale fizycy dotychczas rzadko obserwowali takie efekty w eksperymentach. „Przełomem dokonanym przez nasz zespół badawczy jest wykazanie, że rzeczywiście możemy właściwie kontrolować fale spinowe, jeśli zastosujemy elektrodę nadprzewodzącą” – mówi Toeno van der Sar, profesor nadzwyczajny w Zakładzie Nanonauki Kwantowej.
Lustro nadprzewodzące
Działa to w następujący sposób: fala spinowa wytwarza pole magnetyczne, które z kolei generuje nadprąd w nadprzewodniku. Ten nadprąd działa jak zwierciadło fali spinowej: elektroda nadprzewodząca odbija pole magnetyczne z powrotem do fali spinowej. Nadprzewodzące zwierciadło powoduje, że fale spinowe poruszają się wolniej w górę i w dół, co sprawia, że fale można łatwo kontrolować. Borst: „Kiedy fale spinowe przechodzą pod elektrodą nadprzewodzącą, okazuje się, że ich długość fali zmienia się całkowicie! A zmieniając nieznacznie temperaturę elektrody, możemy bardzo dokładnie dostroić wielkość zmiany”.
„Zaczęliśmy od cienkiej warstwy magnetycznej granatu itrowo-żelazowego (YIG), znanego jako najlepszy magnes na Ziemi. Na wierzchu umieściliśmy elektrodę nadprzewodzącą i drugą elektrodę do indukowania fal spinowych. Ochładzając do -268 stopni, otrzymaliśmy doprowadziło elektrodę do stanu nadprzewodzącego” – mówi Van der Sar. „Niesamowicie było widzieć, że fale wirowe stają się coraz wolniejsze w miarę jak robi się zimniej. Daje nam to wyjątkową możliwość manipulowania falami wirowymi; możemy je odchylać, odbijać, sprawiać, że rezonują i nie tylko. Ale daje nam to również możliwość niezwykle nowe spojrzenie na właściwości nadprzewodników.”
Unikalny czujnik
Naukowcy zobrazowali fale spinowe, mierząc ich pole magnetyczne za pomocą unikalnego czujnika, co było niezbędne w eksperymencie. Van der Sar: „Wykorzystujemy elektrony w diamencie jako czujniki pól magnetycznych fal spinowych. Nasze laboratorium jest pionierem tej techniki. Fajną rzeczą jest to, że możemy patrzeć przez nieprzezroczysty nadprzewodnik na fale spinowe znajdujące się pod spodem, tak jak skaner MRI może zajrzeć przez skórę do czyjegoś ciała.
Nowe obwody
„Technologia fal spinowych jest wciąż w powijakach” – mówi Borst. „Na przykład, aby przy użyciu tej technologii stworzyć energooszczędne komputery, musimy najpierw zacząć budować małe obwody do wykonywania obliczeń. Nasze odkrycie otwiera drzwi: elektrody nadprzewodzące umożliwiają powstanie niezliczonych nowych i energooszczędnych obwodów fal spinowych”.
„Możemy teraz projektować urządzenia oparte na falach spinowych i nadprzewodnikach, które wytwarzają niewielką ilość fal cieplnych i dźwiękowych” – dodaje Van der Sar. „Pomyśl o spintronicznej wersji filtrów częstotliwości lub rezonatorów, komponentach, które można znaleźć na przykład w obwodach elektronicznych telefonów komórkowych. Lub obwodach, które mogą służyć jako tranzystory lub złącza między kubitami w komputerze kwantowym”.