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A laser pulse lasts only femtoseconds, quadrillionths of a second, and in that flash it sets the spins of a copper oxide crystal flipping in rows. At the Paul Scherrer Institute (PSI) in Switzerland, Hiroki Ueda's team then hit the same sample with a second flash, a highly brilliant X-ray pulse from a free-electron laser at the SwissFEL facility. What they recorded is how long the resulting waves last.
Un pulso láser dura apenas femtosegundos, milbillonésimas de segundo, y en ese destello orienta los espines de un cristal de óxido de cobre en filas. En el Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza, el equipo de Hiroki Ueda lanza entonces sobre la misma muestra un segundo destello, un pulso de rayos X muy brillante procedente de un láser de electrones libres de la instalación SwissFEL. Lo que registran es cuánto duran las ondas resultantes.
The reason to care is the limit of today's computers. Chips built on silicon are reaching their physical limits: components cannot be shrunk indefinitely, and clock speeds cannot be raised indefinitely. In a conventional chip, electrons flow through the material, which causes power losses and generates waste heat. The alternative studied here, spintronics, leaves the electrons in place and moves information through spin waves, a little like the wave in a stadium, where people stay in their seats and only their arms move. The waves are made of magnons, collective spin excitations that behave as quasiparticles, meaning they carry a definite energy and momentum even though they are not true particles.
La razón para interesarse está en los límites de los ordenadores actuales. Los chips basados en silicio están alcanzando sus límites físicos: los componentes no pueden reducirse indefinidamente, ni las frecuencias de reloj aumentarse indefinidamente. En un chip convencional, los electrones fluyen por el material, lo que provoca pérdidas de energía y genera calor residual. La alternativa estudiada aquí, la espintrónica, deja los electrones en su sitio y desplaza la información mediante ondas de espín, un poco como la ola en un estadio, en la que la gente permanece en su asiento y solo se mueven los brazos. Las ondas están formadas por magnones, excitaciones colectivas de espín que se comportan como cuasipartículas, es decir, tienen una energía y un momento definidos aunque no son partículas en sentido estricto.
The timing is the new part. The team followed the magnons in three stages. In femtoseconds, the laser excites the electrons and the spins start to flip together. Over picoseconds, trillionths of a second, the magnons collide and form what Ueda's team describes as incoherent waves, like rough seas. Then, in the range of nanoseconds, billionths of a second, the magnons pass their energy to vibrations of the atoms in the lattice, called phonons. That last step comes about three orders of magnitude after the previous one. Romaguera said the team was surprised by how long the transfer takes, given how strongly magnetism and the lattice are coupled in copper oxide.
La novedad está en la temporalidad. El equipo siguió a los magnones en tres etapas. En femtosegundos, el láser excita los electrones y los espines empiezan a invertirse juntos. Durante picosegundos, billonésimas de segundo, los magnones colisionan y forman lo que Ueda y su equipo describen como ondas incoherentes, como mares agitados. Luego, en el rango de los nanosegundos, milmillonésimas de segundo, los magnones ceden su energía a vibraciones de los átomos de la red, llamadas fonones. Este último paso ocurre tres órdenes de magnitud después del anterior. Romaguera afirmó que el equipo se sorprendió por lo mucho que tarda esa transferencia, dado lo fuertemente acoplados que están el magnetismo y la red en el óxido de cobre.
The result rests on a combination of methods. The team used the pump-probe technique, varying the delay between the laser pulse and the X-ray pulse to build a sequence of snapshots, and added a new X-ray technique to two established ones. Until now, each method captured only part of the picture, so no one had a single coherent account of these interactions. Ueda's team says the magnon-phonon relationship, which depends on how momentum and energy relate in each excitation, controls how efficiently energy leaves the magnons, and that this suggests materials could be designed to tune that lifetime. Those are findings from one copper oxide sample in a laboratory. No logic component has been built or tested with them.
El resultado se apoya en una combinación de métodos. El equipo utilizó la técnica de bombeo y sonda (pump-probe), variando el retardo entre el pulso láser y el de rayos X para construir una secuencia de instantáneas, y añadió una nueva técnica de rayos X a dos ya establecidas. Hasta ahora, cada método captaba solo una parte de la imagen, así que nadie tenía una descripción coherente de estas interacciones. Ueda y su equipo sostienen que la relación magnón-fonón, que depende de cómo se relacionan el momento y la energía en cada excitación, controla la eficacia con que la energía abandona los magnones, y que esto sugiere que los materiales podrían diseñarse para ajustar ese tiempo de vida. Son hallazgos de una sola muestra de óxido de cobre en laboratorio. Todavía no se ha construido ni probado ningún componente lógico con ellos.
For engineers working on post-silicon computing, the message is a usable time window. If magnons keep their energy long enough, a device could in principle manipulate them before they dissipate, which is the condition for performing and controlling logical operations with spin waves. The team does not give a date for that step, and it has not described a prototype, a material that could be manufactured at scale, or a cost. What it has shown is that the physics of the wave itself gives such a device something to work with.
Para los ingenieros que trabajan en la computación posterior al silicio, el mensaje es una ventana temporal utilizable. Si los magnones conservan su energía el tiempo suficiente, un dispositivo podría, en principio, manipularlos antes de que se disipen, que es la condición para realizar y controlar operaciones lógicas con ondas de espín. El equipo no da una fecha para ese paso y no ha descrito un prototipo, un material fabricable a escala ni un coste. Lo que sí ha demostrado es que la física de la propia onda da a ese dispositivo algo con lo que trabajar.