实验装置和自旋系统示意图。来源：《Nature Communications》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41467-023-43318-8

康斯坦茨大学（University of Konstanz）的研究人员通过研究通常会以噪音形式干扰实验的波动，发现了一种新型超快磁开关。

收音机在接收信号不佳时发出的噪音就是波动如何掩盖物理信号的典型例子。事实上，除了实际信号之外，这种干扰或噪音也会出现在每次物理测量中。物理学家Ulrich Nowak说：即使在宇宙中最孤独的地方，那里本应什么都没有，但仍然存在电磁场的波动。在康斯坦茨大学 1432 合作研究中心（CRC）"超越平衡的经典和量子物质的波动与非线性 "项目中，研究人员并不认为这种无处不在的噪音是一种需要消除的干扰因素，而是一种能告诉我们有关信号的信息源。

无磁效应，但有波动
这种方法在研究反铁磁体时取得了成功。反铁磁体是几种子晶格的磁化相互抵消的磁性材料。然而，反铁磁性绝缘体被认为是信息技术领域很有前途的节能元件。由于它们的外部几乎没有磁场，因此很难对其进行物理表征。然而，反铁磁体周围存在磁波动，这可以告诉我们很多关于这种弱磁性材料的信息。本着这种精神，两位材料科学家Ulrich Nowak和Sebastian Gönnenwein的研究小组在 CRC 的背景下分析了反铁磁材料的波动。他们的理论和实验研究成果最近发表在《Nature Communications》上，其中的决定性因素是特定的频率范围。实验物理学家 Gönnenwein表示说：我们测量了非常快的波动，并开发出一种方法，可以在飞秒级的超短时间尺度上检测到波动。飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。

超快时间尺度的新实验方法
在较慢的时间尺度上，我们可以使用足够快的电子设备来测量这些波动。但在超快时间尺度上，这种方法不再适用，因此必须开发一种新的实验方法。这种方法是基于合作研究中心成员阿尔弗雷德-莱滕斯托弗研究小组的一个想法。研究人员利用激光技术，使用脉冲序列或脉冲对来获取波动信息。这种测量方法最初是为了研究量子波动而开发的，现在已经扩展到磁性系统的波动。东京大学的 Takayuki Kurihara 作为第三个合作伙伴在这一发展过程中发挥了关键作用。从 2018 年到 2020 年，他是康斯坦茨大学 Leitenstorfer 研究小组和 Zukunftskolleg 的成员。

利用超短光脉冲检测波动
在实验中，两个超短光脉冲以一定的时间延迟通过磁体，在每个脉冲的传输时间内分别测试磁性。然后利用精密的电子设备检查光脉冲的相似性。第一个脉冲作为参考，第二个脉冲则包含反铁磁体在第一个脉冲和第二个脉冲之间发生了多大变化的信息。两个时间点的不同测量结果证实了波动的存在。为了更好地理解实验结果，Nowak研究小组还在精心设计的计算机模拟中建立了实验模型。其中一个意想不到的结果是发现了超短时间尺度上的所谓电报噪声。这意味着不仅存在无序噪声，而且还存在系统在两个定义明确的状态之间来回切换的波动。这种快速、纯随机的切换以前从未观察到过，对于随机数生成器等应用可能很有意义。无论如何，分析超短时间尺度波动的新方法为功能材料领域的进一步发现提供了巨大潜力。