我們中的許多人每天都要穿過大門–花園、公園或地鐵等空間的進出點。電子產品也有閘門。這些門通過電信號來控制信息從一個地方流向另一個地方。與花園大門不同的是，這些大門需要控制其打開和關閉的速度，比眨眼的時間快成千上萬倍。美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和芝加哥大學普利茲克分子工程學院的科學家們已經設計出一種獨特的手段，用一種被稱為電磁學的信息處理方式實現有效的門操作。

他們的關鍵性發現允許實時控制微波光子和磁子之間的信息傳輸。而且它可以產生新一代的經典電子和量子信號設備，可用於各種應用，如信號切換、低功耗計算和量子網絡。

微波光子是形成電磁波的基本粒子，例如，在無線通信中使用。磁子是”自旋波”的粒子狀代表。也就是說，在某些磁性材料中出現的微觀排列的自旋的有序陣列中的波狀干擾。

“許多研究小組正在結合不同類型的信息載體進行信息處理，”位於阿貢的美國能源部科學辦公室用戶設施納米級材料中心的助理科學家Zhang Xufeng說。”這種混合系統將實現單一類型的信息載體無法實現的實際應用。儘管能量耗散和其他外部效應有可能使系統陷入不連貫性，但信號必須保持連貫性。”

相干的門操作（控制磁子-光子相互作用的開啟、關閉和持續時間）一直是混合磁子系統中一個長期追求的目標。原則上這可以通過快速調整光子和磁子之間的能量水平來實現。然而，這種調諧取決於改變設備的幾何配置。這通常需要比磁子壽命長得多的時間–大約100納秒（千億分之一秒）。這種缺乏相互作用的磁子和光子的快速調諧機制使其無法實現任何實時門控。

使用一種涉及能級調諧的新方法，研究小組能夠在比磁子或光子壽命更短的時間內快速切換磁子和光子狀態。這個週期僅僅是10到100納秒。

研究人員我們首先用一個電脈沖調整光子和磁子，使它們具有相同的能量水平。然後，它們之間開始進行信息交流，並持續到電脈衝關閉，這使得磁子的能量水平從光子的能量水平上移開。通過這種機制，該團隊可以控制信息流，使其全部在光子中或全部在磁子中，或在兩者之間的某個地方。這是由一個新穎的設備設計實現的，它允許納秒級的磁場調諧，控制磁子的能量水平。這種可調諧性允許所需的相干門操作。

這項研究指出了電磁學的一個新方向。最重要的是，所展示的機制不僅可以在經典電子學領域發揮作用，而且還可以很容易地應用於在量子領域操縱磁子狀態。這為量子計算、通信和傳感中基於電磁學的信號處理提供了機會。

這項研究得到了美國能源部基礎能源科學辦公室的部分支持。它在《物理評論快報》上發表了一篇題為”混合磁子學中的相干門操作”的論文。除了Zhang之外，作者還包括Jing Xu, Changchun Zhong, Xu Han, Dafei Jin和Liang Jiang。