Le graphique de gauche trace des conditions ponctuelles exceptionnelles dans un espace tridimensionnel, calculé à partir de mesures expérimentales en CNM, formant une surface exceptionnelle avec un point de selle exceptionnel, indiqué par le point à l'intersection des lignes sombres sur la surface. Le graphique de droite trace les dissipations d'énergie des deux modes (photon et magnon), où différentes dépendances sur les paramètres de réglage se produisent près de l'intersection des surfaces bleue et rouge. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Les scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) sont exceptionnels à bien des égards. En collaboration avec l'Imperial College de Londres, par exemple, ils ont mené des recherches sur un phénomène dans les systèmes de traitement de l'information appelé « points exceptionnels ». Ce phénomène a trouvé des applications dans les micro-ondes, technologies optiques et mécaniques.
"Notre équipe a détecté expérimentalement une surface exceptionnelle, une surface courbe tridimensionnelle continue de points exceptionnels, " dit Xufeng Zhang, qui a dirigé ce projet de recherche international et travaille comme assistant scientifique au Centre des matériaux nanométriques (CNM) à Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Des recherches antérieures menées par d'autres avaient détecté des points d'exception, et les chercheurs suivants avaient tracé des lignes de points exceptionnels mesurés, mais c'est la première fois que des chercheurs tracent des surfaces.
"Notre contribution originale est d'avoir cartographié des surfaces tridimensionnelles de points exceptionnels à partir de mesures expérimentales, et le résultat est des graphiques d'une beauté saisissante." - Xufeng Zhang, assistant scientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique
"Pensez à deux systèmes, dont chacun a sa propre perte d'énergie dans l'environnement, " a expliqué Zhang. " Imaginez aussi que ces systèmes soient couplés pour qu'ils puissent échanger de l'énergie entre eux. "
Lorsque ces systèmes sont éloignés, peu d'interaction se produit entre eux, et les calculs liés à l'énergie donnent deux solutions indépendantes liées à leurs interactions avec l'environnement seul. Alors qu'ils s'approchent et interagissent ensemble, les systèmes entrent dans une phase de transition où il n'y a qu'une seule solution. Cela est considéré comme un point exceptionnel. Au fur et à mesure que les systèmes se rapprochent, le point exceptionnel s'évanouit, et les calculs donnent des paires de "solutions hybrides, " un mélange des solutions pour chaque système.
Une application possible des points exceptionnels est des capteurs avec une sensibilité considérablement améliorée aux perturbations telles que de légères fluctuations dans un champ magnétique. Une autre application est la conversion de mode, ce qui permet, par exemple, les signaux des deux parties lors d'un appel téléphonique doivent être conservés dans des modes séparés, éliminant ainsi essentiellement toute interférence indésirable.
"Notre contribution originale est d'avoir cartographié des surfaces tridimensionnelles de points exceptionnels à partir de mesures expérimentales, et le résultat est des graphiques d'une beauté saisissante, ", a déclaré Zhang. Ces surfaces exceptionnelles ont elles-mêmes ce que Zhang appelle "des points de selle exceptionnels, " le point le plus exceptionnel parmi tous les autres points exceptionnels sur les surfaces. Ces points de selle ont accentué le comportement souhaité par rapport aux autres points exceptionnels.
L'appareil expérimental de l'équipe combine deux systèmes :une carte de circuit imprimé spécialisée qui confine les micro-ondes et une sphère magnétique microscopique de grenat de fer yttrium, qui produit des résonances appelées "magnons".
"Les magnons sont des quasiparticules quantifiées associées à des ondes de spin, une excitation collective de l'ordre magnétique dans un réseau cristallin, " a expliqué Zhang. " Ce qui est important ici, c'est que le changement de l'aimantation à un point du réseau affecte les sites voisins comme une vague ondulant à travers la surface d'un étang placide. "
L'équipe a utilisé un spectromètre magnéto-électro-optique au CNM pour mesurer la réponse à différents réglages de la force et de la position du couplage photon-magnon dans leur appareil, puis tracé les résultats dans des graphiques en trois dimensions d'une surface exceptionnelle.
Bien que très abstrait et mathématique, cette découverte cruciale pourrait avoir un impact réel sur le traitement de l'information. Comme l'un des nombreux exemples possibles, le transfert d'informations exige que le bruit ne corrompt pas les zéros et les uns transmis, et une cartographie de surface exceptionnelle pourrait aider à fournir une protection beaucoup plus grande pour ce processus.
"Notre travail ouvre également de nouvelles possibilités passionnantes pour le traitement de l'information quantique avec des fonctionnalités très recherchées, " a noté Zhang.
