Kohærent svingning mellem fononer og magnoner

To forskellige bølger med samme frekvens og bølgelængder kan kobles, så amplituden veksler periodisk mellem de to for at danne et fænomen kendt som en kohærent slagoscillation. Processen kan observeres ofte med et koblet pendul og i den kosmiske skala som neutrinoscillationer, der opstår på grund af fluktuationer mellem forskellige neutrinoer. Faste stoffer kan også opretholde forskellige bølgeexcitationer for at bidrage til deres termiske og elektromagnetiske egenskaber.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature Communications Physics , Tomosato Hioki og et team af forskere inden for materialeforskning og anvendt fysik ved Tohoku University og University of Tokyo i Japan, beskrev sammenhængende slag observeret mellem forskellige excitationsarter i et fast stof, nemlig fononer – kvantevibrationsmekanisk energi og magnoner – en kvasipartikel, der repræsenterer den kollektive excitation af elektronens spinstruktur. Holdet brugte tidsopløst magneto-optisk mikroskopi til at vise, hvordan magnoner genereret i en forbindelse gradvist forsvandt ved at overføre til fononer, for derefter at vende tilbage til formen af ​​magnoner efter et stykke tid. Oscillationsperioden var i overensstemmelse med magnon-phonon-slag. Forskerne forestiller sig, at de eksperimentelle resultater vil bane vejen for sammenhængende kontrol af magnon-phonon-systemer i faste stoffer.

Phonon-magnon-interaktioner i lutetiumjerngranat

Fononer er vibrationsbølger af et solidt krystalgitter, der er ansvarlig for faste stoffers elasticitet og termiske egenskaber. Magnoner eller spinbølger er omvendt repræsentative for en bølget magnetiseringsbevægelse, til stede i magneter, der er ansvarlige for deres magnetiske og termiske egenskaber. Disse to partikler kan interagere i faste stoffer via magneto-elastiske og magneto-statiske koblinger. Partiklernes dynamik er tilvejebragt i spredningskurverne for hvert system for at vise forholdet mellem bølgetal og frekvens. Forskere har registreret spredningskurverne for tværgående akustiske fononer og magnoner i en film af en typisk isolator som lutetiumjerngranat. Sådanne spredningskurver af phonon- og magnon-partiklerne opretholder et skæringspunkt, omkring hvilket en magnon-phonon-hybridiseret tilstand kan dannes. Forskere har fundet ud af, at denne tilstand udviser en ekstrem lang levetid, langt større end rene magnoner på grund af hybridisering med fononer, der opretholder en lang levetid.

Fysikere har bekræftet den forlængede levetid i lutetiumjerngranat, mens de måler spin-varme-omdannelsen, selv ved stuetemperatur. Forskerne forventer samtidig at observere en sammenhængende superposition, der danner en tilsvarende slående svingning mellem fononer og magnoner. I dette arbejde beskrev Hioki et al. observationen af ​​sammenhængende slag mellem to fononer og magnoner i lutetiumjerngranat. Holdet brugte tidsopløst magneto-optisk mikroskopi og målte magnetiseringsdynamikken. De fandt det sammenhængende slag på op til snesevis af nanosekunder og bekræftede eksperimentelt stærk kobling mellem magnoner og fononer i den blottede film af lutetiumjerngranat, forkortet til LUIG.

Den eksperimentelle opsætning

Hioki et al undersøgte slagoscillationerne i faste stoffer ved at udvikle det tidsopløste magneto-optiske mikroskop. Under eksperimenterne brugte de en tynd film af LUIG med en tykkelse på 1,8 µm, med store magneto-optiske effekter og lille magnetiseringsdæmpning. Holdet ophidsede magnetiseringsdynamikken ved at fokusere et pulseret laserlys med en 800 nm bølgelængde ind i prøven, hvilket svarede til næsten halvdelen af ​​energien af ​​båndgabet af LUIG. Pumpen exciterede spin-bølgen eller magnonerne via foto-induceret afmagnetisering og foto-induceret ekspansion. Forskerne exciterede selektivt magnonen vinkelret på den lodrette linje ved at bruge Huygens-Fresnel-interferenser. Derefter brugte de en anden svag lysimpuls, kendt som probepulsen på prøven med en bølgelængde på 630 nm, og målte den rumlige fordeling af den magneto-optiske Faraday-rotation af probeimpulsen transmitteret gennem prøven via et kamera. Holdet løste magnon-phonon gap-frekvensen i prøven under eksperimenterne.

Holdet opnåede en polarisationsrotationsvinkel efter pumpe-puls-bestråling, hvor lodrette bølgemønstre dukkede op i nærheden af ​​pumpepulsens fokus for at demonstrere magnon-excitationen af ​​enheden. De bekræftede, at polarisationsrotationen skyldtes den magneto-optiske Faraday-effekt. Resultaterne viste udviklingen af ​​magnonpolaroner i skæringspunktet mellem spredningskurverne for magnoner og fononer efter pumpe-pulsbestråling. Hioki et al målte direkte de rene magnoner via mikroskopi for at vise det periodisk oscillerende signal som en funktion af tid med frekvensen af ​​magnoner.

De målte derefter den magneto-optiske Faraday-rotation og viste signalets forsvinden, når magnoner blev transformeret til fononer. De observerede oscillationer indebar periodisk slag mellem magnoner og fononer i tidsdomænet. Holdet demonstrerede yderligere de sammenhængende slagoscillationer i det virkelige rum via den rettidige ændring i bølgemønsteret, der exciteres af pumpeimpulsen. De diskuterede excitationsspektrene for magnoner og kohærent oscillationsfrekvens, såvel som vinkelfrekvensen i skæringspunktet mellem magnon- og fononfordelingskurver. Resultaterne viste god overensstemmelse med de teoretiske beregninger.

På denne måde målte Tomosato Hioki og kolleger numerisk den rettidige udvikling af magnon-amplituden ved at beregne Fourier-transformationen af ​​den spektrale magnon-amplitude. Holdet anså den koblede dynamik mellem tværgående akustiske fononer og magnoner for at være relevant for den observerede oscillation. For at forstå de eksperimentelle resultater krediterede Hioki et al. den store samarbejdsvilje til den lille iboende magnetiske dæmpning og højkvalitetsfaktor af fononer i granatkrystaller. Forskerne forbedrede yderligere magnon-fonon-koblingen i filmen ved at fremstille fononiske eller magnoniske krystaller ud af planfilmen for at hjælpe med kontrollen af ​​magnoner i magnoniske kredsløb og enheder. De præsenterede magnon-phonon kohærente oscillationer giver en platform til at studere dynamikken i koblede systemer, for at regulere de magnetiske og elastiske egenskaber i en række magnetiske materialer. + Udforsk yderligere

Observation af magnon-polaroner ved hjælp af en nanomønstret magnetisk struktur oplyst af korte laserimpulser

© 2022 Science X Network