Возбуждение магнонов. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Физики из МФТИ и Российского квантового центра совместно с коллегами из Саратовского государственного университета и Мичиганского технологического университета продемонстрировали новые методы управления спиновыми волнами при помощи коротких лазерных импульсов в особым образом структурированных пленках феррит-граната. Найденное решение может быть востребовано для передачи информации с низкими энергозатратами (либо энергопотреблением) и квантовых вычислений на основе спинов. Статья была опубликована в журнале Nano Letters.
Спин (spin — вращение) — собственный магнитный момент частицы, который всегда имеет направление. В намагниченных материалах наблюдается коллективная ориентация спинов в одном направлении — магнитный порядок. Локальное нарушение магнитного порядка сопровождается распространением спиновой волны по системе.
Распространение спиновой волны — магнонов — не сопровождается переносом вещества, как это происходит, например, при электрических токах. Благодаря этому передача информации спиновыми волнами происходит с гораздо меньшими термическими потерями по сравнению с традиционными электронными способами. Данные можно закодировать в фазу или амплитуду волны, а обработать их — с помощью интерференции волн или нелинейных эффектов. Уже сейчас есть примеры создания простейших логических элементов на основе магнонов. Важной задачей, которую необходимо решить для внедрения новой технологии, является управление различными параметрами создаваемой волны. Оптический метод возбуждения имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, и одно из них было продемонстрировано в данной научной работе.
Ученые возбуждали спиновые волны в особым образом структурированной пленке феррит-граната, модифицированного висмутом. Материал обладает уникальными оптомагнитными свойствами: низким магнитным затуханием, что обеспечивает распространение магнонов на большие расстояния даже при комнатной температуре, высокой оптической прозрачностью в ближнем инфракрасном диапазоне и высоким значением константы Верде. Сама пленка представляет собой гладкий нижний слой со сформированной сверху одномерной решеткой с периодом 450 нм. Такая геометрия позволяет возбуждать тип колебаний (моды) со специальным распределением спинов в магноне, недоступном при работе с пленкой без модификаций.
Для возбуждения прецессии намагниченности использовались линейно поляризованные лазерные импульсы накачки, характеристики которых влияют на спиновую динамику и тип возбуждаемых спиновых волн. Важно отметить, что возбуждение волн было вызвано не термическими, а оптомагнитными эффектами. Изменения в образце определялись с помощью зондирующих импульсов длиной 250 фемтосекунд, которые могут быть направлены в необходимую точку с желаемой временной задержкой относительно импульса накачки. Такая установка позволяет определить динамику намагниченности в конкретной точке образца и после обработки дает информацию о спектральной частоте спиновой волны, ее типе и других характеристиках.
В отличие от предыдущих методов, разработанный учеными подход позволяет контролировать возбужденную волну с помощью нескольких параметров возбуждающего лазерного импульса. Помимо этого, геометрия наноструктурированной пленки позволяет локализовать центр возбуждения в пятне размером порядка 10 нм и делает возможным возбуждение различных типов спиновых волн, что не получилось бы при использовании обычной пленки. Угол падения, поляризация и длина волны лазерных импульсов позволяют резонансно возбуждать волноводные моды образца, которые определяются параметрами наноструктуры, и в результате управлять видом возбуждаемых спиновых волн. Все параметры, которые задаются оптическим возбуждением, могут легко варьироваться по отдельности для получения необходимого результата.
Схема оптического возбуждения спиновых волн. Лазерный возбуждающий импульс (pump) локально нарушает спиновый порядок (спины показаны фиолетовыми стрелками). Возникающие при этом магноны анализируются с помощью зондирующего импульса (probe). Источник: Nano Letters
«Нанофотоника открывает новые возможности в области сверхбыстрого магнетизма, — говорит Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ. — Для создания практических приложений необходимо преодолеть субмикронный масштаб, увеличить скорость работы и многозадачность. Мы продемонстрировали, как можно преодолеть данные ограничения при помощи наноструктурирования магнитного материала. Нам удалось локализовать свет в области размером десятки нанометров и эффективно возбуждать стоячие спиновые волны различных порядков. Данный тип спиновых волн позволяет устройствам на их основе работать на высоких частотах (до терагерцевых)».
В работе экспериментально были показаны увеличение эффективности запуска и возможность контроля спиновой динамики при ее оптическом возбуждении в специально созданной наноструктурированной пленке феррит-граната с помощью коротких лазерных импульсов. Это открывает новые возможности для решения таких проблем, как магнитная обработка данных и квантовые вычисления, основанные на когерентных спиновых колебаниях.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и образования РФ.
