Исследователи впервые экспериментально продемонстрировали, как взаимодействуют самые короткие спиновые волны, возникающие при синхронном возбуждении магнитных моментов атомов лазерным импульсом. Особенности таких взаимодействий в перспективе можно использовать для сверхбыстрого оптического управления магнитным состоянием вещества, что открывает путь к созданию высокоскоростных и энергоэффективных устройств для хранения и передачи информации. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
В магнитных материалах у каждого атома есть магнитный момент (спин), который можно сравнить с очень маленькой стрелкой компаса. При этом спины можно возбуждать очень короткими импульсами света, под действием которого они начинают согласованно колебаться, формируя спиновые волны. Минимальную «порцию» энергии такой волны называют магноном, по аналогии с фотоном — «порцией» световой волны.
Особый интерес для физиков представляют спиновые волны наиболее короткой длины — примерно в один нанометр, что в миллион раз меньше миллиметра. Ученые полагают, что в будущем магноны позволят значительно ускорить передачу и обработку информации. В отличие от электронных схем, где часть энергии теряется из-за нагрева проводников, устройства на спиновых волнах будут гораздо более энергоэффективными и быстрыми за счет значительно более высоких частот. Однако из-за слишком короткой длины возбуждать и напрямую детектировать такие спиновые волны по отдельности затруднительно. С другой стороны, можно «активировать» связанные пары таких волн светом, что открывает широкие возможности для их изучения и использования в будущем.
Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) создали экспериментальную установку, способную с помощью света «активировать» множество пар связанных спиновых волн, и впервые проследили за взаимодействием этих пар.
Авторы использовали трифторид марганца-рубидия — материал с нулевой суммарной намагниченностью, в котором спины соседних атомов направлены в противоположные стороны и полностью компенсируют друг друга. На образец воздействовали короткими, но мощными лазерными импульсами, «активируя» пары связанных спиновых волн, появление которых, в свою очередь, влияло на оптические свойства образца.
Пропуская через материал второй более слабый лазерный импульс и регистрируя его изменения, ученые отслеживали динамику спиновых волн, то есть поведение пар спиновых волн во времени. Благодаря этому удалось впервые наблюдать взаимодействие подобных пар. Чтобы объяснить эти наблюдения, авторы разработали теорию в рамках квантовой механики, предполагающую, что возбуждение пар спиновых волн — результат того, что короткий лазерный импульс мгновенно изменяет силу взаимодействия между магнитными моментами соседних атомов.
«В этом исследовании мы использовали вещество с самой простой магнитной структурой, которое стало прекрасным модельным объектом. В будущем мы планируем работать с материалами, где магнитная структура будет более сложной. Мы ожидаем, что, меняя условия эксперимента — ориентацию образца, поляризацию лазерных импульсов и их длительность, — мы сможем управлять тем, магноны с какими длинами волн возбуждаются, и таким образом управлять магнитной динамикой. Тогда это будет еще один шаг к созданию устройств нового поколения на основе спиновых возбуждений», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елизавета Архипова, аспирант и младший научный сотрудник лаборатории физики ферроиков Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН.
Ранее ученые впервые получили высокочастотные спиновые волны при комнатной температуре с помощью звукового импульса.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
