Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han identificado patrones de oscilación nunca antes vistos conocidos como estados de Floket dentro de vórtices magnéticos extremadamente pequeños. A diferencia de investigaciones anteriores que se basaban en potentes pulsos de láser para crear estos estados, el equipo de Dresde descubrió que una estimulación suave mediante ondas magnéticas es suficiente. Este descubrimiento no sólo desafía los conceptos existentes de física fundamental, sino que también puede servir como una especie de conector universal que conecta la electrónica, la espintrónica y las tecnologías cuánticas. Se publican los resultados ciencia.
Los vórtices magnéticos se forman en discos ultrafinos hechos de materiales como níquel-hierro, a menudo de sólo micrómetros o incluso nanómetros de tamaño. Dentro de esta estructura, pequeños momentos magnéticos, que se comportan como pequeñas agujas de una brújula, están alineados en un patrón circular. Cuando se las perturba, las ondas se propagan a través del sistema como la multitud de un estadio realizando una “ola” concertada. Cada momento magnético se inclina ligeramente y transfiere su impulso al siguiente, creando una reacción en cadena. Esta excitación colectiva en forma de onda se conoce como magnón.
“Estos magnones pueden transmitir información a través de imanes sin necesidad de transporte de carga”, explica el líder del proyecto, el Dr. Helmut Schultheis, del Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones del HZDR. “Esta capacidad los hace extremadamente atractivos para la investigación de tecnologías informáticas de próxima generación”.
Peines de frecuencia inesperados en pequeños discos magnéticos.
Los investigadores experimentaron con discos magnéticos particularmente pequeños, reduciéndolos de unos pocos micrómetros a unos pocos cientos de nanómetros. Su objetivo era explorar cómo el tamaño del disco podría afectar a la computación neuromórfica, un enfoque del procesamiento de información inspirado en el cerebro. Sin embargo, al analizar los datos, notaron algo inusual. En lugar de una única señal resonante, algunos discos producen una serie de líneas muy espaciadas, conocidas como peine de frecuencia.
“Al principio supusimos que se trataba de un artefacto de medición o algún tipo de interferencia”, recuerda Schultheis. “Pero cuando repetimos el experimento, el efecto se volvió a ver. Fue entonces cuando quedó claro que estábamos viendo algo verdaderamente nuevo”.
El núcleo giratorio impulsa el nuevo estado oscilante.
La explicación se remonta al trabajo del matemático francés Gaston Floquet, quien demostró en el siglo XIX que los sistemas expuestos a fuerzas periódicas pueden desarrollar estados oscilatorios completamente nuevos. Normalmente, generar estos estados de Floquet requiere grandes aportes de energía, a menudo entregados por intensos pulsos de láser.
En este caso, los investigadores descubrieron que los vórtices magnéticos pueden formar naturalmente estados de Floket cuando los magnones están suficientemente energizados. Los magnones transfieren parte de su energía al núcleo del vórtice, haciendo que se mueva en una pequeña trayectoria circular alrededor de su centro. Incluso este pequeño movimiento es suficiente para cambiar rítmicamente el estado magnético.
En las pruebas, aparece como un peine de frecuencia. En lugar de una única señal aguda, aparecen múltiples líneas espaciadas uniformemente, de la misma manera que un tono puro podría dividirse en armónicos. “Nos sorprendió que una velocidad fundamental tan diminuta fuera suficiente para transformar el espectro magnónico conocido en toda una serie de nuevos estados”, dijo Schultheis.
Avance de energía ultrabaja con gran potencial
Uno de los aspectos más interesantes del invento es la poca energía que requiere. Mientras que los métodos anteriores se basaban en láseres de alta potencia, este efecto se puede activar con microvatios de potencia, mucho menos de lo que usa un teléfono inteligente en modo de espera.
Esta habilidad abre nuevas posibilidades. Los peines de frecuencia así generados podrían ayudar a sincronizar sistemas muy dispares acoplando señales ultrarrápidas de terahercios a la electrónica convencional o incluso a dispositivos cuánticos. “Lo llamamos adaptador universal”, explica Schultheiß. “Así como un adaptador USB permite que dispositivos con diferentes conectores funcionen juntos, los magnones Floket pueden unir frecuencias que de otro modo serían incompatibles”.
Hacia la computación del futuro y la integración cuántica
El equipo planea investigar si el mismo proceso se puede aplicar a otras estructuras magnéticas. El descubrimiento podría desempeñar un papel importante en el desarrollo de futuros sistemas informáticos al permitir la comunicación entre señales basadas en magnones, circuitos electrónicos y componentes cuánticos.
“Por un lado, nuestro descubrimiento abre nuevas vías para resolver cuestiones fundamentales del magnetismo”, subraya Schultheiß. “Por otro lado, podría servir como herramienta valiosa para interconectar los campos de la electrónica, la espintrónica y la tecnología de la información cuántica”.
Todas las mediciones de vórtices magnéticos y análisis de datos de múltiples instrumentos se realizaron utilizando el programa LabMull desarrollado en HZDR, que está disponible como herramienta de automatización de laboratorio.
