我们中的许多人每天都要穿过大门--花园、公园或地铁等空间的进出点。电子产品也有闸门。这些门通过电信号来控制信息从一个地方流向另一个地方。与花园大门不同的是，这些大门需要控制其打开和关闭的速度，比眨眼的时间快成千上万倍。美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们已经设计出一种独特的手段，用一种被称为电磁学的信息处理方式实现有效的门操作。

他们的关键性发现允许实时控制微波光子和磁子之间的信息传输。而且它可以产生新一代的经典电子和量子信号设备，可用于各种应用，如信号切换、低功耗计算和量子网络。

微波光子是形成电磁波的基本粒子，例如，在无线通信中使用。磁子是"自旋波"的粒子状代表。也就是说，在某些磁性材料中出现的微观排列的自旋的有序阵列中的波状干扰。

"许多研究小组正在结合不同类型的信息载体进行信息处理，"位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施纳米级材料中心的助理科学家Zhang Xufeng说。"这种混合系统将实现单一类型的信息载体无法实现的实际应用。尽管能量耗散和其他外部效应有可能使系统陷入不连贯性，但信号必须保持连贯性。"

相干的门操作（控制磁子-光子相互作用的开启、关闭和持续时间）一直是混合磁子系统中一个长期追求的目标。原则上这可以通过快速调整光子和磁子之间的能量水平来实现。然而，这种调谐取决于改变设备的几何配置。这通常需要比磁子寿命长得多的时间--大约100纳秒（千亿分之一秒）。这种缺乏相互作用的磁子和光子的快速调谐机制使其无法实现任何实时门控。

使用一种涉及能级调谐的新方法，研究小组能够在比磁子或光子寿命更短的时间内快速切换磁子和光子状态。这个周期仅仅是10到100纳秒。

研究人员我们首先用一个电脉冲调整光子和磁子，使它们具有相同的能量水平。然后，它们之间开始进行信息交流，并持续到电脉冲关闭，这使得磁子的能量水平从光子的能量水平上移开。通过这种机制，该团队可以控制信息流，使其全部在光子中或全部在磁子中，或在两者之间的某个地方。这是由一个新颖的设备设计实现的，它允许纳秒级的磁场调谐，控制磁子的能量水平。这种可调谐性允许所需的相干门操作。

这项研究指出了电磁学的一个新方向。最重要的是，所展示的机制不仅可以在经典电子学领域发挥作用，而且还可以很容易地应用于在量子领域操纵磁子状态。这为量子计算、通信和传感中基于电磁学的信号处理提供了机会。

这项研究得到了美国能源部基础能源科学办公室的部分支持。它在《物理评论快报》上发表了一篇题为"混合磁子学中的相干门操作"的论文。除了Zhang之外，作者还包括Jing Xu, Changchun Zhong, Xu Han, Dafei Jin和Liang Jiang。