A medida que la demanda de recursos informáticos continúa aumentando rápidamente, los científicos e ingenieros buscan formas de construir sistemas más rápidos para procesar información. Una posible solución es utilizar patrones de espines de electrones, llamados ondas de espín, para transferir y procesar información mucho más rápidamente que en las computadoras convencionales. Hasta ahora, un gran desafío ha sido manipular estas ondas de giro ultrarrápidas para realizar un trabajo útil.

En un importante avance, investigadores de la Universidad de Texas en Austin y el MIT han desarrollado un método pionero para manipular con precisión estas ondas de espín ultrarrápidas utilizando pulsos de luz personalizados. Sus hallazgos se detallan en dos estudios en Nature Physics. , dirigido por el estudiante graduado del MIT Zhuquan Zhang, el investigador postdoctoral de la Universidad de Texas en Austin Frank Gao, el profesor de química del MIT Keith Nelson y el profesor asistente de física de la UT Austin Edoardo Baldini.

Un componente clave que subyace a nuestros teléfonos inteligentes, Internet y la computación en la nube es la tecnología de registro de datos magnéticos para almacenar y recuperar grandes cantidades de información. Esta tecnología depende de la manipulación de los estados de espín magnético (arriba y abajo) en materiales ferromagnéticos, que representan los bits binarios "0" y "1". Estos espines son imanes minúsculos, cuya alineación determina las propiedades magnéticas del material.

Cuando los investigadores golpean con luz un conjunto de átomos de estos materiales, sus espines se tambalean en un patrón que se propaga a través de los átomos vecinos como ondas en un estanque cuando cae una piedra. Esta es una onda de espín.

A diferencia de estos materiales convencionales de almacenamiento de datos, una clase especial de materiales magnéticos conocidos como antiferromagnetos presentan espines alineados en direcciones opuestas. Las ondas de giro en estos materiales suelen ser mucho más rápidas que sus contrapartes en los ferromagnetos y, por lo tanto, tienen potencial para futuras arquitecturas para el procesamiento de información de alta velocidad.

Los investigadores experimentaron con un antiferroimán conocido como ortoferrita. Este material alberga un par de ondas de espín distintas que normalmente no se comunican entre sí. Al emplear luz de terahercios (THz), que es invisible para el ojo humano en frecuencias infrarrojas extremas, los investigadores lograron que estas ondas de espín interactuaran.

En un artículo, demostraron que el uso de intensos campos de THz para excitar una onda de espín a una determinada frecuencia puede iniciar otra onda de espín a una frecuencia más alta, algo así como los armónicos que surgen naturalmente cuando se puntea una cuerda de guitarra.

"Esto realmente nos sorprendió", dijo Zhang. "Significaba que podíamos controlar de forma no lineal el flujo de energía dentro de estos sistemas magnéticos."

En el otro artículo, descubrieron que la excitación de dos ondas de espín diferentes puede dar como resultado una nueva onda de espín híbrida. Baldini dijo que esto es particularmente interesante porque podría ayudar a impulsar la tecnología de la espintrónica a un nuevo reino llamado magnónica. En la espintrónica, la información se transporta en el espín de los electrones individuales. En la magnónica, la información se transporta en ondas de espín (también conocidas como magnones).

"Aquí, a diferencia de la espintrónica, se utilizan este tipo colectivo de ondas de espín que involucran muchos, muchos espines de electrones simultáneamente", dijo Baldini. "Eso puede llevarnos a escalas de tiempo extremadamente rápidas que no son alcanzables en la espintrónica y también mover la información de una manera más eficiente".

Para llevar a cabo este trabajo innovador, los investigadores desarrollaron un sofisticado espectrómetro para descubrir el acoplamiento mutuo entre distintas ondas de espín y revelar sus simetrías subyacentes.

"A diferencia de la luz visible, que puede verse fácilmente a simple vista, la luz THz es difícil de detectar", dijo Gao. "Estos experimentos serían imposibles sin el desarrollo de la técnica, que nos permitió medir señales de THz con un solo pulso de luz."

Más información: Zhuquan Zhang et al, Conversión ascendente de magnón impulsada por campo de terahercios en un antiferroimán, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02350-7

Zhuquan Zhang et al, Acoplamiento no lineal inducido por campo de terahercios de dos modos magnónicos en un antiferroimán, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02386-3

Proporcionado por la Universidad de Texas en Austin