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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 impulso laser dura solo femtosecondi, cioè biliardesimi di secondo, e in quel lampo fa ruotare in file ordinate gli spin di un cristallo di ossido di rame. Al Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera, il team di Hiroki Ueda colpisce poi lo stesso campione con un secondo lampo, un impulso di raggi X altamente brillante prodotto da un laser a elettroni liberi dell'impianto SwissFEL. Ciò che viene registrato è quanto durano le onde risultanti.
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 ragione per cui questo conta è il limite dei computer di oggi. I chip costruiti sul silicio stanno raggiungendo i loro limiti fisici: i componenti non possono essere rimpiccioliti all'infinito, e le frequenze di clock non possono essere aumentate all'infinito. In un chip convenzionale, gli elettroni attraversano il materiale, il che provoca perdite di potenza e genera calore di scarto. L'alternativa studiata qui, la spintronica, lascia gli elettroni al loro posto e sposta l'informazione attraverso onde di spin, un po' come l'onda negli stadi, dove le persone restano sedute e si muovono solo le braccia. Le onde sono formate da magnoni, eccitazioni collettive dello spin che si comportano come quasiparticelle, cioè trasportano un'energia e una quantità di moto definite pur non essendo particelle vere e proprie.
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 novità sta nei tempi. Il team ha seguito i magnoni in tre fasi. In femtosecondi, il laser eccita gli elettroni e gli spin iniziano a ruotare insieme. Nell'arco di picosecondi, cioè bilionesimi di secondo, i magnoni entrano in collisione e formano quelle che Ueda e colleghi descrivono come onde incoerenti, simili a mari agitati. Poi, nell'ordine dei nanosecondi, cioè miliardesimi di secondo, i magnoni cedono la loro energia alle vibrazioni degli atomi del reticolo, chiamate fononi. Quest'ultimo passaggio avviene circa tre ordini di grandezza dopo il precedente. Romaguera ha detto che il team è rimasto sorpreso dalla durata del trasferimento, data la forte interazione tra magnetismo e reticolo nell'ossido di rame.
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.
Il risultato si basa su una combinazione di metodi. Il team ha usato la tecnica pump-probe, variando il ritardo tra l'impulso laser e quello di raggi X per costruire una sequenza di istantanee, e ha aggiunto una nuova tecnica a raggi X a due tecniche già consolidate. Finora, ciascun metodo aveva catturato solo una parte del quadro, quindi nessuno disponeva di un resoconto coerente di queste interazioni. Ueda e colleghi sostengono che la relazione magnone-fonone, che dipende da come quantità di moto ed energia si relazionano in ciascuna eccitazione, controlla con quanta efficienza l'energia lascia i magnoni, e che ciò suggerisce la possibilità di progettare materiali in grado di regolare questa durata. Si tratta però di risultati ottenuti su un solo campione di ossido di rame in laboratorio. Nessun componente logico è stato costruito o testato con essi.
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.
Per gli ingegneri che lavorano all'informatica post-silicio, il messaggio è una finestra temporale utilizzabile. Se i magnoni conservano la loro energia abbastanza a lungo, un dispositivo potrebbe, in linea di principio, manipolarli prima che si dissipino, che è la condizione per eseguire e controllare operazioni logiche con onde di spin. Il team non fornisce una data per questo passaggio e non ha descritto un prototipo, un materiale producibile su scala industriale o un costo. Ciò che ha dimostrato è che la fisica stessa dell'onda offre a un simile dispositivo qualcosa con cui lavorare.