突破口！中国の科学者は、チップやレーダーで使用される可能性のある新しい磁子状態を発見しました
Lu Wei 教授のチームの発見は、60 年以上にわたってこの分野を「独占」してきた「ウォーカー モード」のカテゴリーを突破し、レーダー、通信、およびワイヤレス情報伝送。
3 月 10 日、上海工科大学の公式ウェブサイトは、上海工科大学の物理科学技術学部の Lu Wei 教授の研究グループが、最近、フォトン - マグノン相互作用と強い結合制御の方向で重要な進歩を遂げたことを発表しました。研究チームは、強磁性絶縁体単結晶において、ポンプ誘起マグノン モード (PIM) と名付けられた新しいタイプの磁気共鳴を初めて発見しました。この発見は、マグネトロントロニクスと量子磁性の研究にまったく新しい次元を切り開きます。 この成果は、物理学分野のフラッグシップ ジャーナルである Physical Review Letters に掲載されました。 論文のタイトルは「ウォーカーモードとの強い相互作用によるポンプ誘起マグノンモードの解明」です。 上記のニュースによると、Lu Wei 教授のチームの発見は、60 年以上にわたってこの分野を「独占」してきた「ウォーカーモード」のカテゴリーを突破し、レーダーで使用される可能性のある新しい磁子状態を発見しました。通信、ワイヤレス情報伝送などのフィールドでの使用。 新しいマグネトン状態 1956 年に、米国ニュージャージー州のベル電話研究所のスタッフである LR ウォーカーは、磁気ブロックの空間制限された磁子状態を数学的に説明する論文を書き、その後、彼の論文を発表しました.この磁子状態は、ウォーカーモードと呼ばれます。その後の 60 年間で、バルク磁性材料で研究されたほとんどすべての磁子状態は、ウォーカー モードのカテゴリに属します。 中国電子科学技術大学物理学院教授 Yan Peng が 2023 年に中国の学術誌「Acta Physica」に掲載したレビュー記事「Topological States and Quantum Effects in Magnetronics」の紹介Films and Integrated Devices 、量子化されたスピン波はマグノンと呼ばれます。 スピン波は、磁気系におけるスピン歳差運動の集団励起状態です. これは、1930 年に物理学者ブロッホ (ブロッホ、1952 年にノーベル物理学賞を受賞) によって、強磁性体の自発磁化が変化する重要な法則を説明するために最初に提案されました。その後、1957 年に非弾性中性子散乱実験を使用して、物理学者のブロックハウス (ブロックハウス、1994 年にノーベル物理学賞を受賞) によって確認されました。 スピン波の波長は数ナノメートルと小さく、情報の記憶密度を高めることができ、磁気デバイスの小型化と高集積化に有益です。さらに、スピン波の伝達は電子の移動を伴わず、ジュール熱による電力損失を回避して、磁性金属と磁性絶縁体の両方を伝搬できます。 各マグノンは、プランク定数に縮小されたスピン角運動量を運ぶため、マグノンは電子のようなスピン情報も運ぶことができます。マグネトニクスの主な目的は、情報担体をスピン波に置き換え、スピン波を介して情報伝達と論理計算を行うことです。以前の情報担体は、電子の電荷またはスピン特性でした。 上海工科大学からの上記のニュースによると、マグネトン状態は、磁性材料におけるスピンの集団励起である電子スピンの応用における中心的な概念です。巨視的な磁性の起源は、主に物質中の不対電子です。電子には、電荷とスピンという 2 つのよく知られた基本的な性質があります。前者は、すべての電子デバイスによって操作されるオブジェクトです。スピン、特に磁性絶縁体中のスピンは、伝導電子のオーミック損失を完全に回避し、スピンの長寿命と低散逸の利点を十分に発揮できるため、スピントロニクス デバイスの開発にとって非常に重要です。 . マグノンは超伝導キュービットと相互作用することもでき、量子情報技術で重要な役割を果たします。 最近発表された研究では、低磁場下で、強磁性絶縁体単結晶球が強いマイクロ波によって励起されると、内部の不飽和スピンがある程度の相乗効果を得て、マイクロ波と同じ周波数で振動するスピン波が生成されることがわかりました。励起信号 、スピン波は「ポンプ誘起マグノンモード（PIM）」と名付けることができます。 光誘起マグネトン状態は「暗い」状態のようなもので、従来の検出方法では直接観察できませんが、ウォーカー モードとの強い結合によって生成されるエネルギー準位分裂によって間接的に観察でき、励起マイクロ波によって制御できます。 電子のスピンの模式図: 上向きスピン (左) と下向きスピン (右)。記事「渡り鳥の量子力学: スピン、エンタングルメント、地磁気ナビゲーション」より。 中国科学院高エネルギー物理学研究所公式サイトの「電子スピン」の紹介によると、場の量子論の必要性からスピンの概念が導入された。電子だけがスピンを持っているわけではなく、中性子、陽子、光子などのすべての微視的粒子がスピンを持っていますが、その値は異なります。スピンは、静質量や電荷などの物理量と同様に、微小粒子の固有の性質を表す物理量です。スピン 0 の粒子はドットのようなもので、どの方向から見ても同じように見えます。スピン 1 の粒子は矢印のようなもので、方向によって見え方が異なります。 スピンは回転とは異なります。中国科学院高エネルギー物理学研究所のWeChat公式アカウントが発表した記事「渡り鳥の量子力学：スピン、エンタングルメント、地磁気ナビゲーション」によると、古典的な観点からスピンを理解することはできません。現在の理論や実験では、電子の半径の下限は見つかっていないため、電子は点粒子として扱われます。パウリの排他原理によれば、2 つの電子が同じ状態になることはできないため、原子核の周りの電子は一般にペアで分布し、原子軌道には 2 つの電子 (1 つは上向きスピン、もう 1 つは下向きスピン) を収容できます。これらの 2 つの電子のスピンの向きが同じになることはできず、それらは関連した状態にあります。これは通常、量子もつれ状態と呼ばれるものです。 励起状態は、原子、分子などがエネルギーを吸収した後、電子がより高いエネルギー準位に励起された状態を表すために使用されます。その後、電子は短期間でより低いエネルギー準位にジャンプし、光子の放出や基底状態への復帰など、一定量のエネルギーを放出する可能性があります。
電子ノイズがなく、正確なレーダー検出に使用できます 上記の上海科学技術大学のニュースによると、チップの研究開発は主にムーアの法則に従っており、チップの性能は 18 か月から 2 年ごとに 2 倍になります。しかし、人間社会が徐々にポスト・ムーア時代に入るにつれて、やみくもにチップ製造プロセスを削減することは「非常に困難」になっています。プロセッサの性能を 2 倍にする時間が延び、「ハリケーン」の開発の勢いは技術的なボトルネックに直面しました。市場の需要に駆り立てられて、人々は、低消費電力、高集積、高情報密度の情報処理キャリアの出口を活性化するための「新鮮な血液」の注入を緊急に必要としています。磁性材料の開発に基づくスピントロニクスとマグネトントロニクスの急速な発展は、上記の制限を打破する方法を提供します。 研究チームはまた、新しく発表された光誘起マグノン状態は、一種のマグノン周波数コムを生成する非線形性に富んでいることも発見しました。 周波数コム (上)。非線形マグノン スキルミオン散乱によって生成されるスピン波周波数コムの模式図。「非線形マグノン・スキルミオン散乱によるマグノニック周波数コム」より。 この新しい周波数コムは、マイクロ波共振回路で生成される周波数コムと比較して電子ノイズがないため、情報技術における超低ノイズ信号変換の実現が期待されています。 「従来のマグネトンの強い結合状態は、構築するために共鳴空洞に依存しています...この依存性を取り除き、マイクロ波誘導を追加することでマグネトンの強い結合状態を生成できます。このようなオープン境界結合状態は、レゴシーケンス結合と同じくらい効果的であると予想されます豊富な機能を手に入れることができます」とチームリーダーのLu Wei教授は述べています。 Lu Wei 氏は次のように述べています。 " Lu Wei 氏は、周波数コムはノギスのようなもので、周波数スペクトルで風や草を正確に測定できると説明しました。以前に発見された光周波数コム（光周波数コム）は、原子時計と超高感度検出において驚くべき精度を示しました。 この研究作業は、上海工科大学、上海工科物理学研究所、中国科学院、華中科技大学が共同で完了し、上海工科大学が最初の完成ユニットとなった。この論文の最初の著者は、上海工科大学物理学院の助教である Rao Jinwei であり、対応する著者は、上海工科大学物理学院の Lu Wei 教授、上海工科大学の准研究員である Yao Bikuo です。中国科学院の物理学と技術、および華中科技大学のYu Tao教授。
論文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046705
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