Comme des fans qui soufflent en synchronisation, certains matériaux magnétiques peuvent présenter des propriétés énergétiques intéressantes. Afin de trouver de nouvelles façons de transmettre et de traiter l'information, les scientifiques ont commencé à explorer le comportement des spins électroniques et magnétiques, spécifiquement leurs excitations résonantes, comme supports d'information. Dans certains cas, les chercheurs ont identifié de nouveaux phénomènes qui pourraient éventuellement aider à éclairer la création de nouveaux dispositifs pour les applications spintroniques et quantiques.

Dans une nouvelle étude menée par le Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs ont découvert une nouvelle façon dont les excitations des spins magnétiques dans deux couches minces différentes peuvent être fortement couplées l'une à l'autre via leur interface commune. Ce couplage dynamique représente un type de système hybride qui attire de plus en plus l'attention des scientifiques intéressés par les systèmes d'information quantique.

"Une façon de penser est comme si vous aviez deux paires de masses attachées à des ressorts, " a déclaré Yi Li, chercheur postdoctoral et premier auteur d'Argonne. " Nous savons que chaque masse reliée à un ressort oscillera périodiquement lorsqu'elle est frappée de l'extérieur. Mais si on relie les deux masses avec un troisième ressort, alors l'oscillation d'une masse déclenchera également l'oscillation de l'autre masse, qui peut être utilisé pour échanger des informations entre les ressorts. Le rôle du troisième ressort est ici joué par le couplage d'échange interfacial entre les deux couches magnétiques."

Avec un peu d'ingénierie intelligente, les chercheurs peuvent définir la fréquence d'oscillation libre des deux couches de spins magnétiques - les " masses " - pour être identiques, où ils sont les plus favorables au couple. En outre, ils montrent que les deux systèmes peuvent être « fortement » couplés, un état qui est important pour maintenir la cohérence et peut inspirer des applications en information quantique.

Outre l'état de couplage fort, les chercheurs ont trouvé un nouvel effet supplémentaire dans la bicouche magnétique qui a un impact sur la cohérence de leurs excitations :un côté peut pomper de l'énergie, appelé courant de spin, dans l'autre. Un comportement notable et intrigant concernant le nouveau couplage dynamique implique l'échange d'énergie entre les deux couches du matériau magnétique.

Selon le scientifique des matériaux de l'Université de l'Illinois et auteur de l'étude, Axel Hoffmann, chaque couche a une durée particulière pendant laquelle la dynamique de magnétisation persistera généralement indépendamment. Cependant, avec l'introduction du courant de spin poussant les spins dans une direction particulière, il peut y avoir suffisamment d'énergie transférée pour que la dynamique de magnétisation dure sensiblement plus longtemps dans l'une des couches.

"Nous savions qu'il existait une sorte de couplage rigide, mais le fait est que l'autre couplage dynamique est également important - et suffisamment important pour que nous ne puissions pas le négliger, " Hoffmann a déclaré. "Pour les systèmes d'information quantique, le nom du jeu est de prendre une excitation et de la manipuler d'une manière ou de la transférer vers une autre excitation, et c'est à peu près au cœur de ce que nous faisons ici."

"Il y a une interaction magnétique intrinsèque qui couple ces deux couches, " Li a ajouté. " Nous pouvons appliquer un champ magnétique, et ensuite nous pouvons déterminer si ces deux couches pompent en phase ou en déphasage. De telles interactions contrôlées sont en principe ce que les gens font pour le traitement de l'information quantique."

Selon Hoffmann, l'expérience a commencé par l'identification de deux systèmes magnétiques dont les chercheurs savaient qu'ils étaient couplés. En cherchant à rendre le couplage aussi fort qu'il pourrait l'être par rapport aux excitations individuelles dans le matériau, les chercheurs ont pu voir les détails supplémentaires de la façon dont le transfert d'énergie de pompage de spin s'est produit.

Un article basé sur l'étude, "Pompage de spin cohérent dans un système hybride magnon-magnon fortement couplé, " paru dans le numéro du 17 mars de Lettres d'examen physique . D'autres auteurs de l'étude comprenaient Zhizhi Zhang d'Argonne, Jonathan Gibbons, John Pearson, Valentin Novosad, et Wei Zhang; Paul Haney, Marc Stiles, et Vivek Amin de l'Institut national des normes et de la technologie; Wei Cao et William Bailey de l'Université de Columbia; et Joseph Sklenar de la Wayne State University.