I ricercatori cinesi hanno compiuto un passo rivoluzionario nel controllo delle onde magnetiche, riuscendo per la prima volta a manipolare i magnoni attraverso "fenditure temporali" anziché spaziali. Questo approccio innovativo ha permesso di dimostrare sperimentalmente la diffrazione temporale dei modi magnetici, un fenomeno analogo al celebre esperimento della doppia fenditura di Young ma applicato alla dimensione del tempo. Il risultato, pubblicato su Physical Review Letters, apre nuove prospettive per lo sviluppo di sistemi magnetici programmabili e computer quantistici a basso consumo energetico.
La scoperta del modo magnetico indotto
Il gruppo di ricerca guidato da Bimu Yao e Wei Lu aveva già individuato nel 2023 una caratteristica peculiare dei sistemi magnonici: l'esistenza di un modo magnetico indotto dalla pompa (PIM) che risponde a campi di microonde estremamente deboli. "Questo modo particolare reagisce a campi magnetici di intensità nanotesla, circa 10.000 volte più deboli del campo magnetico terrestre", spiegano i coordinatori dello studio. La sensibilità straordinaria di questo fenomeno ha spinto i ricercatori a esplorare cosa accadrebbe sostituendo l'eccitazione continua con impulsi discreti.
L'intuizione si è rivelata vincente: gli esperimenti hanno evidenziato oscillazioni simili a quelle di Rabi con caratteristiche chirped, dimostrando l'esistenza di un accoppiamento forte variabile nel tempo tra i modi magnetici. Questo risultato rappresenta la realizzazione pratica di un mezzo temporalmente variabile per le onde di spin, un obiettivo tradizionalmente ostacolato dalle difficoltà tecniche nella modulazione rapida della dispersione magnetica.
Spettroscopia ultrarapida per catturare l'invisibile
Per osservare questi fenomeni fugaci, i ricercatori delle università di Shanghai, Shandong, Zhejiang e dell'Istituto di Fisica Tecnica di Shanghai hanno sviluppato una tecnica spettroscopica innovativa. La spettroscopia a pettine di frequenze risolta nel tempo (trFCS) permette di rilevare variazioni spettrali su scale temporali di nanosecondi, superando di diversi ordini di grandezza le prestazioni degli analizzatori commerciali disponibili.
Il sistema sperimentale si basa su un ferrimagneto posizionato su una guida d'onda coplanare, attraverso cui vengono inviati impulsi periodici di microonde per eccitare i modi magnetici. "Gli impulsi di microonde periodici corrispondono a un pettine di frequenze composto da numerose componenti discrete equispaziate nel dominio della frequenza", spiegano Jinwei Rao e Lihui Bai. "Quando applicati al ferrimagneto, questi componenti sondano simultaneamente la risposta risonante dei modi magnetici su un ampio intervallo di frequenze."
Fenditure temporali e diffrazione magnetica
La creazione delle "fenditure temporali" rappresenta il cuore dell'innovazione tecnologica. Accorciando la durata della sorgente di energia esterna che modula le interazioni tra i modi magnetici, i ricercatori sono riusciti a produrre cambiamenti bruschi nell'accoppiamento in istanti specifici. La rapida accensione e spegnimento degli impulsi genera due interfacce temporali adiacenti, formando una fenditura temporale singola.
L'utilizzo di due impulsi brevi produce invece una doppia fenditura temporale, generando nello spettro bande laterali la cui spaziatura è inversamente proporzionale alla separazione tra le fenditure. Questo comportamento rappresenta l'analogo temporale dell'esperimento della doppia fenditura di Young, un risultato che segna la prima dimostrazione sperimentale della diffrazione temporale di modi magnetici.
Verso l'elettronica magnetica programmabile
Le implicazioni pratiche di questa scoperta si estendono ben oltre l'interesse puramente scientifico. La capacità di controllare dinamicamente l'accoppiamento forte in sistemi magnonici su chip apre la strada a applicazioni concrete nell'elettronica quantistica e nel calcolo a basse perdite energetiche. "Il nostro lavoro dimostra il potenziale per abilitare la moltiplicazione efficiente dei magnoni e il controllo programmabile", conclude Wei Lu.
La tecnica trFCS si configura come uno strumento versatile per studiare sistemi dinamici a microonde, mentre i ricercatori pianificano già i prossimi sviluppi. L'obiettivo è abbreviare ulteriormente la durata degli impulsi per catturare comportamenti ultraveloci di rifrazione e diffrazione temporale, integrando sistemi di accoppiamento forte multi-fenditura su chip. Questo approccio potrebbe portare alla realizzazione di una "magnonica programmabile a reticolo", una nuova frontiera per mixer completamente magnetici e sorgenti GHz integrate per sistemi quantistici ibridi.
La ricerca rappresenta un significativo avanzamento nella manipolazione controllata delle proprietà magnetiche dei materiali, aprendo prospettive inedite per lo sviluppo di tecnologie quantistiche più efficienti e versatili. La capacità di rompere la simmetria temporale in sistemi basati su onde di spin costituisce un tassello fondamentale per l'evoluzione dell'elettronica del futuro.