Учёные открыли новые состояния в магнитных вихрях для квантовых технологий

Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) обнаружили ранее неизвестные колебательные состояния, так называемые состояния Флоке, внутри крошечных магнитных вихрей. В отличие от предыдущих работ, где для их создания требовались мощные лазерные импульсы, немецкой команде оказалось достаточно мягкой стимуляции с помощью магнитных волн. Открытие может стать «универсальным адаптером» для связи электроники, спинтроники и квантовых технологий. Результаты опубликованы в журнале Science.

Магнитные вихри образуются в ультратонких дисках из таких материалов, как никель-железо, размером в микрометры или даже нанометры. Внутри них магнитные моменты, подобные миниатюрным стрелкам компаса, выстраиваются по кругу. При возбуждении по системе распространяются волны, похожие на «волну» на стадионе. Эти коллективные волновые возбуждения называются магнонами.

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

Экспериментируя с уменьшением магнитных дисков до нескольких сотен нанометров, учёные заметили необычный эффект. Вместо одного резонансного сигнала некоторые диски генерировали серию близко расположенных линий, формируя так называемую частотную гребёнку. Оказалось, что при достаточной энергии магноны передают часть её ядру вихря, заставляя его двигаться по крошечной круговой траектории. Это ритмичное движение и создаёт состояния Флоке, проявляющиеся как частотная гребёнка.

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

Ключевой аспект открытия — крайне низкое энергопотребление. Эффект запускается мощностью в микроватты, что значительно меньше, чем потребляет смартфон в режиме ожидания. Такая эффективность открывает новые возможности: частотные гребёнки такого типа могут помочь синхронизировать различные системы, соединяя сверхбыстрые терагерцовые сигналы с обычной электроникой или квантовыми устройствами.

«Мы называем это универсальным адаптером, — объясняет Шультайс. — Подобно тому, как USB-адаптер позволяет работать вместе устройствам с разными разъёмами, магноны Флоке могут связать частоты, которые в противном случае оставались бы несовместимыми».

Команда планирует исследовать, можно ли применить тот же механизм к другим магнитным структурам. Открытие может сыграть важную роль в разработке будущих вычислительных систем, обеспечив связь между магнонными сигналами, электронными схемами и квантовыми компонентами.