Физики из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) зафиксировали ранее не наблюдавшиеся паттерны колебаний, известные как состояния Флоке, внутри сверхмалых магнитных вихрей. В отличие от предыдущих экспериментов, требовавших мощного лазерного излучения, дрезденским исследователям удалось добиться эффекта с помощью слабых магнитных волн. Работа, опубликованная в журнале Science, может стать основой для создания связующего звена между традиционной электроникой, спинтроникой и квантовыми технологиями.
Магнитные вихри образуются в ультратонких дисках из сплава никеля и железа, размер которых составляет несколько микрометров или нанометров. Внутри этих структур элементарные магнитные моменты выстраиваются в круговые структуры. При внешнем воздействии в системе возникают волны, напоминающие скоординированное движение людей на стадионе. Каждое изменение положения одного магнитного момента передается соседнему, создавая коллективное возбуждение, называемое магноном. По словам руководителя проекта Хельмута Шультхайса из Института физики ионных пучков и материаловедения HZDR, магноны способны передавать информацию без переноса электрического заряда, что делает их перспективными для вычислительных систем нового поколения.
В ходе экспериментов с дисками диаметром в несколько сотен нанометров ученые планировали изучить влияние размеров структуры на нейроморфные вычисления. Однако при анализе данных вместо ожидаемого одиночного резонансного сигнала они обнаружили серию близко расположенных линий – так называемую частотную гребенку. Повторные измерения подтвердили, что эффект не является инструментальной ошибкой или помехой.
Объяснение явления восходит к работам французского математика XIX века Гастона Флоке, который доказал, что системы под воздействием периодических сил могут приобретать принципиально новые состояния колебаний. Исследователи установили, что при достаточном уровне энергии магноны передают ее часть ядру магнитного вихря, заставляя его двигаться по круговой траектории. Этого минимального смещения оказывается достаточно для ритмичного изменения магнитного состояния всей системы. В спектре это отражается как расщепление чистого тона на гармоники, образующие упорядоченную структуру частот.
Ключевой особенностью открытия стала его энергоэффективность. Если раньше для генерации состояний Флоке требовались лазеры высокой мощности, то в нанодисках процесс запускается при мощности в несколько микроватт. Это сопоставимо с энергопотреблением смартфона в режиме ожидания. Подобные частотные гребенки могут выполнять роль универсального адаптера, позволяющего синхронизировать сигналы различных систем. В будущем механизм позволит объединить сверхбыстрые терагерцевые сигналы с компонентами традиционной электроники и квантовыми устройствами.
