Beaucoup d'entre nous franchissent des portes tous les jours - des points d'entrée et de sortie dans un espace comme un jardin, parc ou métro. L'électronique a aussi des portes. Ceux-ci contrôlent le flux d'informations d'un endroit à un autre au moyen d'un signal électrique. Contrairement à une porte de jardin, ces portails nécessitent un contrôle de leur ouverture et fermeture plusieurs fois plus rapide qu'un clin d'œil.

Des scientifiques du laboratoire national Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) et de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont mis au point un moyen unique d'obtenir un fonctionnement efficace des portes avec une forme de traitement de l'information appelée électromagnétique. Leur découverte cruciale permet de contrôler en temps réel le transfert d'informations entre les photons micro-ondes et les magnons. Et cela pourrait donner lieu à une nouvelle génération de dispositifs de signaux électroniques et quantiques classiques pouvant être utilisés dans diverses applications telles que la commutation de signaux, calcul basse consommation et réseaux quantiques.

Les photons hyperfréquences sont des particules élémentaires formant les ondes électromagnétiques utilisées dans, par exemple, communications sans fil. Les magnons sont les représentants semblables à des particules des « ondes de spin ». C'est-à-dire, perturbations ondulatoires dans un réseau ordonné de spins alignés au microscope qui se produisent dans certains matériaux magnétiques.

"De nombreux groupes de recherche combinent différents types de supports d'information pour le traitement de l'information, " dit Xufeng Zhang, assistant scientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. "De tels systèmes hybrides permettraient des applications pratiques qui ne sont pas possibles avec des supports d'information d'un seul type."

« Le traitement du signal qui couple les ondes de spin et les micro-ondes est un acte à haute intensité, " a ajouté Zhang. " Le signal doit rester cohérent malgré les dissipations d'énergie et autres effets extérieurs menaçant de jeter le système dans l'incohérence. "

Fonctionnement cohérent du portail (contrôle sur marche, off et durée de l'interaction magnon-photon) a été un objectif longtemps recherché dans les systèmes magnéniques hybrides. En principe, ceci peut être réalisé par un réglage rapide des niveaux d'énergie entre le photon et le magnon. Cependant, un tel réglage a dépendu de la modification de la configuration géométrique du dispositif. Cela nécessite généralement beaucoup plus de temps que la durée de vie du magnon, de l'ordre de 100 nanosecondes (cent milliardièmes de seconde). L'absence d'un mécanisme de réglage rapide pour l'interaction des magnons et des photons a rendu impossible la réalisation d'un contrôle de porte en temps réel.

En utilisant une nouvelle méthode impliquant un réglage du niveau d'énergie, l'équipe a pu basculer rapidement entre les états magnénique et photonique sur une période plus courte que la durée de vie du magnon ou du photon. Cette période n'est que de 10 à 100 nanosecondes.

"On commence par régler le photon et le magnon avec une impulsion électrique pour qu'ils aient le même niveau d'énergie, " dit Zhang. " Alors, l'échange d'informations commence entre eux et se poursuit jusqu'à ce que l'impulsion électrique soit coupée, qui éloigne le niveau d'énergie du magnon de celui du photon."

Par ce mécanisme, Zhang a dit, l'équipe peut contrôler le flux d'informations afin que tout soit dans le photon ou dans le magnon ou quelque part entre les deux. Ceci est rendu possible par une nouvelle conception de dispositif qui permet un réglage à la nanoseconde d'un champ magnétique qui contrôle le niveau d'énergie du magnon. Cette accordabilité permet le fonctionnement de porte cohérent souhaité.

Cette recherche indique une nouvelle direction pour l'électromagnétique. Plus important encore, le mécanisme démontré ne fonctionne pas seulement dans le régime électronique classique, mais peut aussi être facilement appliqué pour manipuler des états magnétiques dans le régime quantique. Cela ouvre des opportunités pour le traitement du signal basé sur l'électromagnétique en informatique quantique, communication et détection.

Cette recherche a été partiellement financée par le DOE Office of Basic Energy Sciences. Il a été signalé dans Lettres d'examen physique , dans un article intitulé « Opérations de porte cohérentes en magnonique hybride ».