Российские физики первыми увидели взаимодействие коротких спиновых волн
Ученые впервые проследили, как взаимодействуют пары самых коротких спиновых волн, возбужденных лазерными импульсами. Такой эффект может помочь создать более быстрые и экономичные устройства для хранения и передачи данных.
Источник: Елизавета Архипова / ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН. Анатолий Федянин и Елизавета Архипова.
МОСКВА, 15 мая. /Новости науки/. Ученые Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН впервые экспериментально показали, как взаимодействуют связанные пары коротких спиновых волн в магнитном материале. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters, сообщили в пресс-службе РНФ.
Спин можно представить как очень маленькую магнитную стрелку внутри атома. Если такие стрелки вывести из равновесия коротким импульсом света, они начинают согласованно колебаться. Так возникают спиновые волны. Минимальную порцию энергии такой волны называют магноном — по аналогии с фотоном, порцией световой волны.
Физиков особенно интересуют очень короткие спиновые волны длиной около одного нанометра. Это примерно в миллион раз меньше миллиметра. Такие волны могут передавать и обрабатывать информацию быстрее, чем обычные электронные схемы. При этом они должны тратить меньше энергии, потому что им не нужен перенос электрического заряда по проводникам, где часть энергии уходит в тепло.
Главная трудность в том, что такие короткие волны сложно возбуждать и измерять по отдельности. Поэтому исследователи использовали другой подход: они активировали светом связанные пары спиновых волн и наблюдали, как эти пары ведут себя во времени.
Для опыта ученые взяли трифторид марганца-рубидия. Это магнитный материал с нулевой суммарной намагниченностью: спины соседних атомов в нем направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. Образец облучали короткими мощными лазерными импульсами. Эти импульсы запускали пары связанных спиновых волн, а их появление меняло оптические свойства вещества.
Затем через материал пропускали второй, более слабый лазерный импульс. По тому, как менялись его свойства после прохождения через образец, ученые восстанавливали динамику спиновых волн. Так им удалось впервые увидеть взаимодействие таких связанных пар.
Чтобы объяснить результат, авторы построили квантово-механическую модель. По их версии, короткий лазерный импульс почти мгновенно меняет силу взаимодействия между магнитными моментами соседних атомов. Именно это и запускает пары спиновых волн.
«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», — приводятся в сообщении слова исполнителя проекта, аспиранта и младшего научного сотрудника лаборатории физики ферроиков ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН Елизаветы Архиповой.
По словам исследователей, в перспективе такие эффекты можно использовать для сверхбыстрого оптического управления магнитным состоянием вещества. Это важно для будущих устройств хранения, передачи и обработки информации, где сигнал будет идти не за счет движения электронов, а за счет спиновых возбуждений.
Спин можно представить как очень маленькую магнитную стрелку внутри атома. Если такие стрелки вывести из равновесия коротким импульсом света, они начинают согласованно колебаться. Так возникают спиновые волны. Минимальную порцию энергии такой волны называют магноном — по аналогии с фотоном, порцией световой волны.
Физиков особенно интересуют очень короткие спиновые волны длиной около одного нанометра. Это примерно в миллион раз меньше миллиметра. Такие волны могут передавать и обрабатывать информацию быстрее, чем обычные электронные схемы. При этом они должны тратить меньше энергии, потому что им не нужен перенос электрического заряда по проводникам, где часть энергии уходит в тепло.
Главная трудность в том, что такие короткие волны сложно возбуждать и измерять по отдельности. Поэтому исследователи использовали другой подход: они активировали светом связанные пары спиновых волн и наблюдали, как эти пары ведут себя во времени.
Для опыта ученые взяли трифторид марганца-рубидия. Это магнитный материал с нулевой суммарной намагниченностью: спины соседних атомов в нем направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. Образец облучали короткими мощными лазерными импульсами. Эти импульсы запускали пары связанных спиновых волн, а их появление меняло оптические свойства вещества.
Затем через материал пропускали второй, более слабый лазерный импульс. По тому, как менялись его свойства после прохождения через образец, ученые восстанавливали динамику спиновых волн. Так им удалось впервые увидеть взаимодействие таких связанных пар.
Чтобы объяснить результат, авторы построили квантово-механическую модель. По их версии, короткий лазерный импульс почти мгновенно меняет силу взаимодействия между магнитными моментами соседних атомов. Именно это и запускает пары спиновых волн.
«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», — приводятся в сообщении слова исполнителя проекта, аспиранта и младшего научного сотрудника лаборатории физики ферроиков ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН Елизаветы Архиповой.
По словам исследователей, в перспективе такие эффекты можно использовать для сверхбыстрого оптического управления магнитным состоянием вещества. Это важно для будущих устройств хранения, передачи и обработки информации, где сигнал будет идти не за счет движения электронов, а за счет спиновых возбуждений.
