![Magnon-excitatie. Krediet: Daria Sokol / MIPT Natuurkundigen bereiken afstembare spingolfexcitatie](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/physicistsac.jpg)
Magnon-excitatie. Krediet: Daria Sokol / MIPT
Natuurkundigen van MIPT en het Russian Quantum Center, vergezeld door collega’s van Saratov State University en Michigan Technological University, hebben nieuwe methoden gedemonstreerd voor het beheersen van spingolven in nanogestructureerde bismut-ijzer-granaatfilms via korte laserpulsen. Gepresenteerd in Nano Lettersheeft de oplossing potentieel voor toepassingen in energie-efficiënte informatieoverdracht en spin-based quantum computing.
De spin van een deeltje is het intrinsieke impulsmoment, dat altijd een richting heeft. In gemagnetiseerde materialen wijzen de spins allemaal in één richting. Een lokale verstoring van deze magnetische orde gaat gepaard met de voortplanting van spingolven, waarvan de quanta bekend staan als magnons.
In tegenstelling tot de elektrische stroom houdt de voortplanting van spingolven geen overdracht van materie in. Als gevolg hiervan leidt het gebruik van magnonen in plaats van elektronen om informatie over te brengen tot veel kleinere thermische verliezen. Gegevens kunnen worden gecodeerd in de fase of amplitude van een spingolf en verwerkt via golfinterferentie of niet-lineaire effecten.
Eenvoudige logische componenten op basis van magnonen zijn al beschikbaar als voorbeeldapparaten. Een van de uitdagingen bij het implementeren van deze nieuwe technologie is echter de noodzaak om bepaalde spingolfparameters te regelen. In veel opzichten zijn opwindende magnons optisch handiger dan op andere manieren, met een van de voordelen die in het recente artikel in Nano Letters.
De onderzoekers wonden spingolven op in een nanogestructureerde bismut-ijzer-granaat. Zelfs zonder nanopatronen heeft dat materiaal unieke optomagnetische eigenschappen. Het wordt gekenmerkt door een lage magnetische verzwakking, waardoor magnonen zich over grote afstanden kunnen voortplanten, zelfs bij kamertemperatuur. Het is ook zeer optisch transparant in het nabij-infraroodbereik en heeft een hoge Verdet-constante.
De film die in het onderzoek werd gebruikt, had een uitgebreide structuur: een gladde onderlaag met daarop een eendimensionaal rooster, met een periode van 450 nanometer. Deze geometrie maakt de excitatie mogelijk van magnonen met een zeer specifieke spindistributie, wat niet mogelijk is voor een niet-gemodificeerde film.
![Schematische weergave van excitatie van spingolven door optische pulsen. De laserpomppuls genereert magnonen door lokaal de ordening van spins - weergegeven als violette pijlen - in bismut-ijzer-granaat (BiIG) te verstoren. Een sondepuls wordt vervolgens gebruikt om informatie over de aangeslagen magnonen te achterhalen. GGG staat voor gadolinium gallium-granaat, dat dient als substraat Credit: Alexander Chernov et al./ Nano Letters Natuurkundigen bereiken afstembare spingolfexcitatie](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/1-physicistsac.jpg)
Schematische weergave van excitatie van spingolven door optische pulsen. De laserpomppuls genereert magnonen door lokaal de ordening van spins – weergegeven als violette pijlen – in bismut-ijzer-granaat (BiIG) te verstoren. Een sondepuls wordt vervolgens gebruikt om informatie over de aangeslagen magnonen te achterhalen. GGG staat voor gadolinium gallium-granaat, dat dient als substraat Credit: Alexander Chernov et al./ Nano Letters
Om magnetisatie-precessie op te wekken, gebruikte het team lineair gepolariseerde pomplaserpulsen, waarvan de kenmerken de spindynamiek en het type gegenereerde spingolven beïnvloedden. Belangrijk is dat golfexcitatie het gevolg is van optomagnetische in plaats van thermische effecten.
De onderzoekers vertrouwden op sondepulsen van 250 femtoseconde om de toestand van het monster te volgen en spingolfkarakteristieken te extraheren. Een sondepuls kan naar elk punt op het monster worden gestuurd met een gewenste vertraging ten opzichte van de pomppuls. Dit levert informatie op over de magnetisatiedynamiek in een bepaald punt, die kan worden verwerkt om de spectrale frequentie, het type en andere parameters van de spingolf te bepalen.
In tegenstelling tot de eerder beschikbare methoden, maakt de nieuwe benadering het mogelijk om de gegenereerde golf te beheersen door verschillende parameters van de laserpuls die deze opwekt te variëren. Bovendien maakt de geometrie van de nanogestructureerde film het mogelijk dat het excitatiecentrum wordt gelokaliseerd op een plek van ongeveer 10 nanometer groot. Het nanopatroon maakt het ook mogelijk om meerdere verschillende soorten spingolven te genereren. De invalshoek, de golflengte en de polarisatie van de laserpulsen maken de resonante excitatie mogelijk van de golfgeleidermodi van het monster, die worden bepaald door de nanostructuurkenmerken, zodat het type opgewekte spingolven kan worden gecontroleerd. Het is mogelijk dat elk van de kenmerken die verband houden met optische excitatie onafhankelijk worden gevarieerd om het gewenste effect te produceren.
“Nanofotonica opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van ultrasnel magnetisme”, zei de co-auteur van de studie, Alexander Chernov, die het Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab bij MIPT leidt. “Het creëren van praktische toepassingen hangt af van het feit of we verder kunnen gaan dan de submicrometerschaal, de werksnelheid verhogen en de capaciteit voor multitasking verhogen. We hebben een manier getoond om deze beperkingen te overwinnen door een magnetisch materiaal te nanostructureren. We hebben met succes licht op een plek gelokaliseerd. enkele tientallen nanometers breed en effectief opgewonden staande spingolven van verschillende grootte. Dit type spingolven maakt het mogelijk dat de apparaten op hoge frequenties werken, tot het terahertz-bereik. “
Het artikel demonstreert experimenteel een verbeterde lanceringsefficiëntie en het vermogen om de spindynamiek onder optische excitatie te regelen door korte laserpulsen in een speciaal ontworpen nanopatroonfilm van bismut-ijzer-granaat. Het opent nieuwe perspectieven voor magnetische gegevensverwerking en kwantumcomputers op basis van coherente spinoscillaties.
Alexander I. Chernov et al. Volledig diëlektrische nanofotonica maakt instelbare excitatie van de uitwisselingsspingolven mogelijk, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c01528
Nano Letters
Geleverd door Moscow Institute of Physics and Technology