基于自旋的量子计算突破：物理学家实现可调谐的自旋波激发

磁振子激发。

来自MIPT和俄罗斯量子中心的物理学家，以及来自萨拉托夫州立大学和密歇根理工大学的同事一起，展示了通过短激光脉冲控制纳米结构铋铁石榴石薄膜中自旋波的新方法。该解决方案在《纳米快报》上发表，具有在节能信息传输和基于自旋的量子计算中的应用潜力。

粒子的自旋是其固有的角动量，该角动量始终具有方向。被磁化的材料，所有自旋都指向一个方向。自旋波的传播伴随着这种磁阶的局部破坏，自旋波的量子被称为磁振子。

与电流不同，自旋波传播不涉及物质转移。令人惊讶的是，使用马农而不是电子来传输信息导致的热损失要小得多。数据可以在自旋波的相位或幅度中进行编码，并可以通过波干扰或非线性效应进行处理。

基于磁振子的简单逻辑组件已经可以作为示例设备使用。但是，实施这项新技术的挑战之一是需要控制某些自旋波参数。在许多方面，光学激发磁振子比其他方式更方便，这是最近发表在《纳米快报》上的论文之一。

研究人员激发了纳米结构的铋铁石榴石中的自旋波。即使没有纳米图案，该材料也具有独特的光磁特性。它的特点是磁衰减低，即使在室温下，磁振子也能在很长的距离内传播。它在近红外范围内也是高度光学透明的，并且具有很高的维尔德常数。

在研究中使用的薄膜具有精细的结构：光滑的下层，顶部形成一维光栅，周期为450纳米（图1）。这种几何形状能够激发具有非常特定的自旋分布的磁振子，这对于未改性的薄膜是不可能的。

为了激发磁化旋进，该团队使用了线性偏振泵浦激光脉冲，其特性会影响自旋动力学和产生的自旋波的类型。重要的是，波激发是由光效应而不是热效应引起的。

光学脉冲对自旋波激发的示意图。激光泵浦脉冲通过局部破坏铋铁石榴石（BiIG）中的自旋顺序（如紫色箭头所示）来产生磁振子。然后使用探测脉冲来恢复有关激发的磁振子的信息。GGG表示g镓石榴石，其用作底物。

研究人员依靠250飞秒的探测脉冲来跟踪样品的状态并提取自旋波特性。相对于泵浦脉冲，准延迟脉冲可以以所需的延迟定向到样品上的任何点。这样就产生了有关给定点磁化动力学的信息，可以对其进行处理以确定自旋波的频谱频率，类型和其他参数。

与以前可用的方法不同，新方法可以通过改变激发它的激光脉冲的几个参数来控制所产生的波。除此之外，纳米结构膜的几何形状允许激发中心定位在大约10纳米大小的点上。纳米图案还可以产生多种不同类型的自旋波。入射角，激光脉冲的波长和偏振能实现样品的波导模式的共振激发，这由纳米结构特征决定，因此可以控制激发的自旋波的类型。与光激发相关的每个特性有可能独立变化以产生所需的效果。

该研究的合著者亚历山大·谢尔诺夫（Alexander Chernov）说：“纳米光子学为超快磁性领域开辟了新的可能性。”亚历山大·谢尔诺夫（Alexander Chernov）是MIPT磁性异质结构和自旋电子学实验室的负责人。“实际应用的创建将取决于能否超越亚微米规模，提高操作速度和多任务处理能力。我们已经展示了一种通过纳米结构磁性材料克服这些限制的方法。我们已经成功地将光定位在几十纳米的范围内，并有效激发了各种数量级的驻旋波。这种类型的自旋波使设备能够在高达太赫兹范围的高频下运行。”

该论文实验证明，在特殊设计的铋铁石榴石纳米图案膜中，短激光脉冲在光激发下具有更高的发射效率和控制自旋动力学的能力。它为基于相干自旋振荡的磁数据处理和量子计算开辟了新的前景。

参考：Alexander I. Chernov *，Mikhail A. Kozhaev，Daria O. Ignatyeva，Evgeniy N. Beginin，Alexander V. Sadovnikov，Andrey A. Voronov，Dolendra Karki，Miguel Levy和Vladimir I.Belotelov，2020年6月9日，Nano Letters.DOI：
10.1021 / acs.nanolett.0c01528

该研究得到俄罗斯科学和高等教育部的支持。