Fysikere opnår justerbar spin-bølge excitation

Fysikere fra MIPT og det russiske kvantecenter, sammen med kolleger fra Saratov State University og Michigan Technological University, har demonstreret nye metoder til at kontrollere spin-bølger i nanostrukturerede vismutjernsgranatfilm via korte laserimpulser. Præsenteret i Nano bogstaver , løsningen har potentiale for anvendelser inden for energieffektiv informationsoverførsel og spin-baseret kvanteberegning.

En partikels spin er dens iboende vinkelmomentum, som altid har en retning. I magnetiserede materialer, alle spins peger i én retning. En lokal forstyrrelse af denne magnetiske orden er ledsaget af udbredelsen af ​​spinbølger, hvis kvanta er kendt som magnoner.

I modsætning til den elektriske strøm, spinbølgeudbredelse involverer ikke en overførsel af stof. Som resultat, at bruge magnoner frem for elektroner til at overføre information fører til meget mindre termiske tab. Data kan kodes i fasen eller amplituden af ​​en spin-bølge og behandles via bølgeinterferens eller ikke-lineære effekter.

Simple logiske komponenter baseret på magnoner er allerede tilgængelige som prøveenheder. Imidlertid, en af ​​udfordringerne ved at implementere denne nye teknologi er behovet for at kontrollere visse spin-bølgeparametre. I mange henseender, spændende magnoner er optisk mere praktisk end på andre måder, med en af ​​fordelene præsenteret i det nylige papir i Nano bogstaver .

Forskerne ophidsede spin-bølger i en nanostruktureret bismuthjerngranat. Selv uden nanomønster, dette materiale har unikke optomagnetiske egenskaber. Det er kendetegnet ved lav magnetisk dæmpning, tillader magnoner at udbrede sig over store afstande selv ved stuetemperatur. Den er også meget optisk gennemsigtig i det nære infrarøde område og har en høj Verdet-konstant.

Filmen, der blev brugt i undersøgelsen, havde en udførlig struktur:et glat nedre lag med et endimensionelt gitter dannet på toppen, med en periode på 450 nanometer. Denne geometri muliggør excitation af magnoner med en meget specifik spinfordeling, hvilket ikke er muligt for en umodificeret film.

For at ophidse magnetiseringspræcession, holdet brugte lineært polariserede pumpelaserimpulser, hvis karakteristika påvirkede spindynamikken og typen af ​​genererede spinbølger. Vigtigt, bølge excitation var resultatet af optomagnetiske snarere end termiske effekter.

Forskerne stolede på 250 femtosekunders probeimpulser for at spore prøvens tilstand og udvinde spinbølgekarakteristika. En probeimpuls kan dirigeres til ethvert punkt på prøven med en ønsket forsinkelse i forhold til pumpeimpulsen. Dette giver information om magnetiseringsdynamikken i et givet punkt, som kan behandles for at bestemme spin-bølgens spektrale frekvens, type, og andre parametre.

I modsætning til de tidligere tilgængelige metoder, den nye tilgang gør det muligt at kontrollere den genererede bølge ved at variere flere parametre for laserimpulsen, der exciterer den. Ud over det, geometrien af ​​den nanostrukturerede film gør det muligt at lokalisere excitationscentret på et sted på omkring 10 nanometer i størrelse. Nanomønstret gør det også muligt at generere flere forskellige typer spin-bølger. Indfaldsvinklen, bølgelængden og polariseringen af ​​laserimpulserne muliggør resonansexcitation af prøvens bølgeledertilstande, som er bestemt af nanostrukturens egenskaber, så den type spin-bølger, der ophidser, kan kontrolleres. Det er muligt for hver af de karakteristika, der er forbundet med optisk excitation, at blive varieret uafhængigt for at frembringe den ønskede effekt.

"Nanofotonik åbner op for nye muligheder inden for ultrahurtig magnetisme, " sagde undersøgelsens medforfatter, Alexander Chernov, der leder Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab ved MIPT. "Skabelsen af ​​praktiske applikationer vil afhænge af at kunne gå ud over submikrometerskalaen, øge driftshastigheden og kapaciteten til multitasking. Vi har vist en måde at overvinde disse begrænsninger ved at nanostrukturere et magnetisk materiale. Vi har med succes lokaliseret lys på et sted på få titusvis af nanometer på tværs og effektivt ophidset stående spin-bølger af forskellige størrelser. Denne type spin-bølger gør det muligt for enhederne at arbejde ved høje frekvenser, op til terahertz-området."

Papiret demonstrerer eksperimentelt en forbedret lanceringseffektivitet og evne til at kontrollere spindynamikken under optisk excitation ved hjælp af korte laserimpulser i en specialdesignet nanomønstret film af vismutjernsgranat. Det åbner nye muligheder for magnetisk databehandling og kvanteberegning baseret på sammenhængende spin-oscillationer.