磁激励可以在不损失热量的情况下提供信息传递

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慕尼黑技术大学仪器科学家克里斯蒂安·弗兰兹博士在慕尼黑理工大学中子源研究中心的共振自旋回波光谱仪研究所工作。作者：Wenzel Schürmann/TUM

就像电子流过导电体一样，磁激励也能穿过某些材料。这种激发，在物理学中被称为“磁振子”，类似于电子，可以比电导体更容易地传输信息。一个国际研究小组现在已经在制造这种组件的道路上取得了一个重要的发现，这种组件可以是高效节能的，而且体积要小得多。

目前，电荷的传输和控制是大多数电子元件的基础。这种技术的一个主要缺点是电流的流动由于电阻而产生热量。考虑到全世界使用的电子元件数量庞大，能量损失是巨大的。

一种节能的替代方法是使用自旋波传输和处理信息，因为它们不会产生几乎一样多的废热。这样的组件也可以更加紧凑。因此，全世界的科学家都在寻找能够利用磁自旋波传输信息的材料。

在慕尼黑技术大学（TUM）的大力参与下，一个国际研究联合会已经在这方面迈出了重要的一步。他们对某些磁性材料中圆形路径上的自旋波的观察也可能代表着利用波来传输信息的量子技术的突破。

磁波在材料中的传播

当你把石头扔进水里，你就把水分子从它们的平衡位置移开。它们开始振荡，一个圆形的波开始扩散。以一种非常相似的方式，一些材料中的磁矩也可以振荡。在这个过程中，磁矩相对于其静止位置执行陀螺运动。一个力矩的进动会影响相邻的振动，所以波就传播。

对于利用这些电磁波的应用，控制诸如波长或方向等特性是很重要的。在磁矩都指向同一方向的传统铁磁体中，磁波通常沿直线传播。

Marc Janoschek和TASP仪器在瑞士的散裂中子源SINQ，保罗舍尔研究所，Villigen（瑞士）。作者：Mahir Dzambegovic/Paul Scherrer Institut

在一类新的磁性材料中，这种波的传播是完全不同的，它就像一盒未煮熟的意大利面，由紧密排列的磁性涡流管组成。这个磁序是由慕尼黑技术大学的克里斯蒂安·普莱德里尔和彼得·博尼领导的一个小组在将近15年前通过中子实验发现的。

由于其非平凡的拓扑性质，以及英国核物理学家托尼·斯凯姆（Tony Skyrme）的理论数学发展，这些涡流管被称为Skyrmion。

磁波在圆路径上的传播

由于中子携带磁矩，它们特别适合研究磁性材料.就像指南针一样，它们对磁场有敏感的反应。中子散射被证明是唯一能够探测圆轨道上自旋波的技术，因为它在非常长的时间尺度上提供了必要的分辨率。

利用极化中子散射，来自法国格勒诺布尔的劳伊·朗格文研究所的托比亚斯·韦伯和他的团队现在已经证明，垂直于这种天空的电磁波的传播不是在直线上，而是在一个圆的路径上。

其原因是相邻磁矩的方向，以及由此产生岁差运动的轴的方向，在垂直于磁涡流管的方向上不断变化。类似地，当岁差运动从一个磁矩传播到下一个磁矩时，传播方向也会不断变化。自旋波传播方向的圆形路径的半径和方向取决于自旋波的强度和方向磁矩“倾斜。

德国慕尼黑理工大学中子源Heinz-Maier-Leibnitz中心共振自旋回波谱仪的研究人员正在研究中子源Heinz-Maier-Leibnitz（FRM-II）。作者：Jan Greune/MCQST

圆轨道的量子化

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的马库斯·加斯特（Markus Garst）说：“但还有更多的东西要做，他在一段时间前就提出了天雷子中自旋波及其与中子耦合的理论描述。“垂直于skyrmion晶格的自旋波的圆周传播与由洛伦兹力引起的电子垂直于磁场的运动有着密切的相似性。”

当它们的轨道能量很低的时候，它们的轨道是非常封闭的。大约一百年前，以电子闻名的俄罗斯物理学家列夫·兰道（Lev Landau）预言，这种现象被称为兰道量子化。以此类推，天狼星涡旋状特性对自旋波的影响可以被优雅地解释为一个虚拟磁场。换言之，自旋波与skyrmion结构之间非常复杂的相互作用实际上非常简单，可以描述为电子横穿真实磁场的运动。

此外，垂直于天球的自旋波的传播也显示了圆轨道的量子化。因此，自旋波的特征能量也被量子化，这为全新的应用打开了大门。此外，圆形轨道有一个微妙的扭曲，有点类似于所谓的Möbius带。它在拓扑上是非平凡的：扭曲只能通过切割和重新连接条带来消除。所有这些导致了一个特别稳定的自旋波运动。

成功的国际合作

TUM物理学家彼得·博尼解释说：“实验性地测定skyrmion晶格中的自旋波，既需要世界领先的中子分光计的组合，也需要大量改进软件来解释数据。”。

研究小组使用了法国劳伊-朗格文研究所的仪器、瑞士保罗-舍尔研究所的散裂源SINQ、英国的ISIS中子源和μ介子源，以及慕尼黑理工大学的研究中子源Heim-Maier-Leibnitz（FRM-II）。进一步的理论和数据分析工作在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和卡尔斯鲁厄理工学院进行。

垂直于天空的自旋波的传播显示了圆轨道的量子化。此外，圆形轨道在拓扑上是非平凡的：它带有一个微妙的扭曲，有点类似于所谓的Möbius带。作者：Christoph Hohmann/MCQST

Marc Janoschek现在在Paul Scherrer研究所工作，他强调， “我在洛斯阿拉莫斯工作期间，在世界领先的光谱仪上进行了无数次实验，并澄清了主要的实验和理论挑战之后，在位于加兴的TUM’s FRM II的世界上独一无二的光束线RESEDA上，兰道量子化的微观检测结束了一个从近15年开始的循环几年前我在加兴的海因茨梅尔莱布尼茨Zentrum进行了第一次测量。”

然而，对自旋波在圆轨道上的运动进行量子化，不仅是从基础研究的角度来看，还是一个突破。新成立的TUM量子工程中心总经理Christian Pfleiderer强调：“自旋波在圆轨道上的自发运动，其半径和方向来自于天战，为实现量子技术中用于信息处理的功能性器件开辟了一个新的视角，如量子计算机中量子比特之间的简单耦合器。”