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来自兰开斯特大学和奈梅亨拉德堡德大学的研究人员已经成功地在纳米尺度上产生了传播的自旋波，并发现了一种调制和放大它们的新途径。

他们的发现发表在《自然》杂志上，可以为无耗散量子信息技术的发展铺平道路。由于自旋波不涉及电流，因此这些芯片将不会产生相关的能量损失。

随着人工智能的迅速普及，人们对快速、节能的计算设备的需求越来越大，并需要新的方法来存储和处理信息。传统设备中的电流会受到能量损失和随后的环境加热的影响。

“有损”电流的一种替代方案是使用电子的自旋而不是电荷以波的形式存储和处理信息。这些自旋可以看作是磁铁的基本单位。

来自兰开斯特大学的主要作者Rostislav Mikhaylovskiy博士说：“我们的发现对于未来基于自旋波的计算至关重要。自旋波是一种吸引人的信息载体，因为它们不涉及电流，因此不会受到电阻损耗的影响。

多年来，人们已经知道自旋可以踢出其平衡方向。在这种扰动之后，自旋开始围绕其平衡位置进行（即旋转）。在磁体中，相邻的自旋非常强烈地耦合，形成净磁化。由于这种耦合，自旋进动可以在磁性材料中传播，从而产生自旋波。

“在纳米尺度上观察相干传播磁振子的非线性转换，这是任何基于磁振子的实际数据处理的先决条件，十多年来，世界各地的许多团体一直在寻求。因此，我们的实验是自旋波研究的一个里程碑，它有可能为超快相干磁学开辟一个全新的研究方向，着眼于无耗散量子信息技术的发展。

研究人员利用了这样一个事实，即在材料中可以找到自旋旋转的最高可能频率，其中相邻的自旋相对于彼此倾斜。

为了激发这种快速的自旋动力学，他们使用了非常短的光脉冲，其持续时间短于自旋波的周期，即不到万亿分之一秒。在纳米尺度上产生超快自旋波的诀窍在于光脉冲的光子能量。

该研究材料在紫外线 （UV） 光子能量下表现出极强的吸收，这将激发定位在距离界面仅几十纳米的非常薄的区域，从而允许出现太赫兹（一万亿赫兹）频率和亚微米波长的自旋波。

这种自旋波的动力学本质上是非线性的，这意味着具有不同频率和波长的波可以相互转换。

研究人员现在首次在实践中意识到了这种可能性。他们通过不仅用一个，而是用两个强激光脉冲来激励系统，以短时间延迟相隔来激励系统来实现这一点。

第一作者、兰开斯特大学前博士生Ruben Leenders说：“在典型的单脉冲激励实验中，我们只是期望两个自旋波像任何波一样相互干扰。然而，通过改变两个脉冲之间的时间延迟，我们发现两个波的这种叠加并不成立。

该团队通过考虑已经激发的自旋波与第二个光脉冲的耦合来解释这些观察结果。这种耦合的结果是，当自旋已经在旋转时，第二个光脉冲会给自旋带来额外的冲击力。

这种踢腿的强度和方向取决于第二个光脉冲到达时旋转的偏转状态。这种机制允许控制自旋波的特性，例如它们的振幅和相位，只需在激励之间选择适当的时间延迟即可。

更多信息：Ruben Leenders 等人，斜旋阶作为磁振子超快转换的平台，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07448-3.www.nature.com/articles/s41586-024-07448-3

期刊信息： Nature