随着对计算资源的需求持续快速增长，科学家和工程师正在寻找构建更快的信息处理系统的方法。一种可能的解决方案是使用电子自旋模式(称为自旋波)来比传统计算机更快地传输和处理信息。到目前为止，一个主要挑战是操纵这些超快自旋波来做有用的工作。

德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院的研究人员取得了重大飞跃，开发了一种开创性的方法，可以使用定制的光脉冲精确操纵这些超快自旋波。他们的发现在《自然物理学》杂志上的两项研究中有详细介绍，由麻省理工学院研究生张竹泉、德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员弗兰克·高、麻省理工学院化学教授基思·尼尔森和德克萨斯大学奥斯汀分校物理学助理教授爱德华多·巴尔迪尼领导。

我们的智能手机、互联网和云计算的一个关键组成部分是用于存储和检索大量信息的磁数据记录技术。这项技术取决于对铁磁材料中磁自旋状态(向上和向下)的操纵，代表二进制位“0”和“1”。这些自旋是微小的磁铁，其排列决定了材料的磁性。

当研究人员用光照射这些材料中的一组原子时，它们的自旋会以一种模式摆动，这种模式会在邻近的原子中产生涟漪，就像石头落入池塘时产生的波浪一样。这就是自旋波。

与这些传统的数据存储材料不同，一种称为反铁磁体的特殊磁性材料具有沿相反方向旋转的特征。这些材料中的自旋波通常比铁磁体中的自旋波快得多，因此具有未来高速信息处理架构的潜力。

研究人员对一种称为正铁氧体的反铁磁体进行了实验。这种材料具有一对不同的自旋波，它们通常不会相互影响。通过利用人眼在极端透视 频率下不可见的太赫兹(THz)光，研究人员成功地使这些自旋波相互作用。

在一篇论文中，他们表明，使用强烈的太赫兹场激发特定频率的自旋波可以引发另一个更高频率的自旋波，有点像拨动吉他弦时自然产生的泛音。

“这确实让我们感到惊讶，”张说。“这意味着我们可以非线性地控制这些磁系统内的能量流。”

在另一篇论文中，他们发现激发两种不同的自旋波可以产生一种新的混合自旋波。巴尔迪尼说，这特别令人兴奋，因为它可以帮助将该技术从自旋电子学推向一个称为磁振子学的新领域。在自旋电子学中，信息是在单个电子的自旋中携带的。在磁振子学中，信息通过自旋波(也称为磁振子)携带。

“在这里，与自旋电子学不同，你使用的是这些集体类型的自旋波，它们同时涉及许多很多电子自旋，”巴尔迪尼说。“这可以让你达到自旋电子学无法达到的极快的时间尺度，并以更有效的方式传输信息。”

为了开展这项开创性的工作，研究人员开发了一种复杂的光谱仪来揭示不同自旋波之间的相互耦合并揭示它们潜在的对称性。

“与肉眼容易看到的可见光不同，太赫兹光很难检测到，”高说。“如果没有技术的发展，这些实验将是不可能的，这使我们能够仅用单个光脉冲测量太赫兹信号。”