Muchos de nosotros atravesamos puertas todos los días:puntos de entrada y salida a un espacio como un jardín, parque o metro. La electrónica también tiene puertas. Estos controlan el flujo de información de un lugar a otro mediante una señal eléctrica. A diferencia de la puerta de un jardín, estas puertas requieren el control de su apertura y cierre muchas veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago han ideado un medio único para lograr una operación eficaz de la puerta con una forma de procesamiento de información llamada electromagnónica. Su descubrimiento fundamental permite el control en tiempo real de la transferencia de información entre fotones de microondas y magnones. Y podría resultar en una nueva generación de dispositivos de señales cuánticas y electrónicos clásicos que se pueden utilizar en diversas aplicaciones, como la conmutación de señales, Computación de bajo consumo y redes cuánticas.

Los fotones de microondas son partículas elementales que forman las ondas electromagnéticas empleadas en, por ejemplo, comunicaciones inalámbricas. Los magnones son los representantes en forma de partículas de las "ondas de giro". Es decir, Perturbaciones en forma de onda en una matriz ordenada de espines alineados microscópicamente que ocurren en ciertos materiales magnéticos.

"Muchos grupos de investigación están combinando diferentes tipos de soportes de información para el procesamiento de información, "dijo Xufeng Zhang, científico asistente en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. "Estos sistemas híbridos permitirían aplicaciones prácticas que no son posibles con soportes de información de un solo tipo".

"El procesamiento de señales que combina ondas giratorias y microondas es un acto de alta tensión, "agregó Zhang." La señal debe permanecer coherente a pesar de las disipaciones de energía y otros efectos externos que amenazan con llevar al sistema a la incoherencia ".

Operación coherente de la puerta (control sobre encendido, apagado y duración de la interacción magnón-fotón) ha sido un objetivo buscado durante mucho tiempo en los sistemas magnónicos híbridos. En principio, esto se puede lograr mediante un rápido ajuste de los niveles de energía entre el fotón y el magnón. Sin embargo, tal ajuste ha dependido de cambiar la configuración geométrica del dispositivo. Por lo general, eso requiere mucho más tiempo que la vida útil del magnón, del orden de 100 nanosegundos (cien mil millonésimas de segundo). Esta falta de un mecanismo de ajuste rápido para la interacción de magnones y fotones ha hecho que sea imposible lograr un control de apertura en tiempo real.

Usando un método novedoso que involucra el ajuste del nivel de energía, el equipo pudo cambiar rápidamente entre los estados magnónico y fotónico durante un período más corto que la vida útil del magnón o del fotón. Este período es de apenas 10 a 100 nanosegundos.

"Comenzamos sintonizando el fotón y el magnón con un pulso eléctrico para que tengan el mismo nivel de energía, "dijo Zhang." Entonces, el intercambio de información comienza entre ellos y continúa hasta que se apaga el pulso eléctrico, lo que aleja el nivel de energía del magnón del del fotón ".

Por este mecanismo, Zhang dijo:el equipo puede controlar el flujo de información para que todo esté en el fotón o todo en el magnón o en algún lugar intermedio. Esto es posible gracias a un novedoso diseño de dispositivo que permite la sintonización en nanosegundos de un campo magnético que controla el nivel de energía del magnón. Esta capacidad de sintonización permite la operación de puerta coherente deseada.

Esta investigación apunta a una nueva dirección para la electromagnónica. Más importante, El mecanismo demostrado no solo funciona en el régimen de la electrónica clásica, pero también se puede aplicar fácilmente para manipular estados magnónicos en el régimen cuántico. Esto abre oportunidades para el procesamiento de señales basado en la electromagnónica en la computación cuántica, comunicaciones y detección.

Esta investigación fue apoyada parcialmente por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE. Fue reportado en Cartas de revisión física , en un artículo titulado "Operaciones de puerta coherentes en magnónicos híbridos".