Неожиданные колебательные состояния в магнитных вихрях могут стать универсальным адаптером для электроники и квантовых систем

Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе обнаружили ранее не наблюдавшиеся колебательные состояния (состояния Флоке) в крошечных магнитных вихрях. В отличие от предыдущих экспериментов, требовавших энергоёмких лазерных импульсов, команда выяснила, что для их создания достаточно слабого возбуждения магнитными волнами.

Иллюстрация: Катрин и Хельмут Шультайс

Магнитные вихри могут формироваться в ультратонких дисках из магнитных материалов, например, сплава никеля и желея. При внешнем воздействии в системе распространяются волны, подобные «волне» на стадионе. Эти коллективные волновые возбуждения учёные называют магнонами.

«Эти магноны могут передавать информацию через магнит без переноса заряда, что делает их чрезвычайно привлекательными для исследований в области технологий вычислений следующего поколения», — объясняет руководитель проекта доктор Хельмут Шультайс.

Изначально команда экспериментировала с уменьшением размеров магнитных дисков для применения в нейроморфных вычислениях. Однако в данных они заметили, что некоторые диски генерируют не одну резонансную линию в спектре, а целый набор — так называемую гребёнку частот.

Ключом к явлению стала математическая теория французского математика Гастона Флоке. Команда обнаружила, что в магнитных вихрях состояния Флоке могут возникать самопроизвольно, если магноны возбуждены достаточно сильно. Они передают часть энергии ядру вихря, заставляя его совершать круговое движение, что ритмически модулирует магнитное состояние и создаёт гребёнку частот.

«Мы были поражены, что такого минимального движения ядра достаточно, чтобы преобразовать знакомый спектр магнонов в целый массив новых состояний», — говорит Шультайс.

Процесс отличается высокой эффективностью: для его запуска достаточно микроваттного уровня энергии — доли мощности смартфона в режиме ожидания. Это открывает интригующие возможности. Такие гребёнки частот могут помочь синхронизировать разные системы, например, связать сверхбыстрые терагерцовые явления с обычной электроникой или квантовыми компонентами.

«Мы называем это универсальным адаптером. Подобно тому, как USB-адаптер позволяет работать устройствам с разными разъёмами, магноны Флоке могут стать мостом между частотами, которые иначе остались бы несовместимыми», — поясняет Шультайс.

В будущем команда планирует исследовать, применим ли этот принцип к другим магнитным структурам. Открытие может оказаться ценным для разработки новых вычислительных архитектур, облегчая связь между магнонными сигналами, электронными схемами и квантовыми системами.