science >> Wetenschap >  >> Fysica

Coherente oscillatie tussen fononen en magnons

Concept van coherente oscillatie tussen fononen en magnons, en in de tijd opgeloste magneto-optische microscopie. (a) Een schematische illustratie van fononen en magnons, (b) Een schematische illustratie van coherente oscillatie tussen fononen en magnons. (c) De dispersiecurven van fonon en magnon in lutetium-ijzer-granaat (LuIG). (d) Een vergroot beeld rond A in Fig. 1c. De zwarte curven vertegenwoordigen de dispersierelatie van gehybridiseerde magnon-phonon-polaron, terwijl de rode en blauwe gestippelde curven de dispersierelatie van respectievelijk pure magnons en transversale akoestische fononen vertegenwoordigen. (e) optische opstelling voor de tijdsopgeloste magneto-optische microscopie met de verlengde vertragingstijd. De geëxciteerde magnetisatiedynamiek wordt gedetecteerd via de polarisatierotatiehoek van de sondelaserpuls die wordt geïnduceerd door het magneto-optische Faraday-effect in het monster. De detectie wordt uitgevoerd door een CCD-camera (charge-coupled device). (f) Magneto-optisch beeld waargenomen 3,5 ns na de bestraling van de pomppuls onder het externe magnetische veld B  =-11,5 mT parallel aan de golfvector van de geëxciteerde magnonen. g, Golfgetalspectrum van de verkregen magneto-optische beelden waargenomen 3,5 ns na de excitatie (B  =-11,5 mT). De inzet toont een vergrote weergave. Credit:Communicatiefysica (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1

Twee verschillende golven met dezelfde frequentie en golflengte kunnen worden gekoppeld, zodat de amplitude periodiek tussen de twee wisselt om een ​​fenomeen te vormen dat bekend staat als een coherente slagoscillatie. Het proces kan vaak worden waargenomen met een gekoppelde slinger en op kosmische schaal als neutrino-oscillaties die optreden als gevolg van fluctuaties tussen verschillende neutrino's. Ook vaste stoffen kunnen verschillende golfexcitaties in stand houden om bij te dragen aan hun thermische en elektromagnetische eigenschappen.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Nature Communications Physics , Tomosato Hioki en een team van wetenschappers op het gebied van materiaalonderzoek en toegepaste fysica aan de Tohoku University en de University of Tokyo in Japan, beschreven coherente slagen die werden waargenomen tussen verschillende excitatiesoorten in een vaste stof, namelijk fononen - kwantumtrillingsmechanische energie, en magnons - een quasideeltjes die de collectieve excitatie van de spinstructuur van het elektron vertegenwoordigen. Het team gebruikte in de tijd opgeloste magneto-optische microscopie om te laten zien hoe magnons die in een verbinding werden gegenereerd, geleidelijk verdwenen door over te gaan naar fononen, om na een tijdje terug te keren naar de vorm van magnons. De oscillatieperiode was consistent met magnon-fonon-kloppingen. De wetenschappers voorzien dat de experimentele resultaten de weg zullen effenen voor een coherente controle van magnon-fononsystemen in vaste stoffen.

Fonon-magnon-interacties in lutetium-ijzer-granaat

Fononen zijn trillingsgolven van een vast kristalrooster die verantwoordelijk zijn voor de elasticiteit en thermische eigenschappen van vaste stoffen. Magnons of spingolven zijn omgekeerd representatief voor een golvende beweging van magnetisatie, aanwezig in magneten die verantwoordelijk zijn voor hun magnetische en thermische eigenschappen. Deze twee deeltjes kunnen interageren in vaste stoffen via magneto-elastische en magneto-statische koppelingen. De dynamiek van de deeltjes wordt gegeven in de dispersiecurven van elk systeem om de relatie tussen het golfgetal en de frequentie te laten zien. Wetenschappers hebben de dispersiecurven van transversale akoestische fononen en magnonen vastgelegd in een film van een typische isolator zoals lutetium-ijzer-granaat. Dergelijke dispersiecurven van de fonon- en magnondeeltjes handhaven een kruising waarrond een magnon-fonon gehybridiseerde toestand kan worden gevormd. Onderzoekers hebben ontdekt dat deze toestand een extreem lange levensduur vertoont, veel groter dan pure magnons vanwege hybridisatie met fononen die een lange levensduur behouden.

Observatie van magnon-fonon coherente oscillatie. (a) Temporele evolutie van het reële deel van F~k(t) bij kx = kTA onder het magnetische veld B = 11.5 mT evenwijdig aan k, waarbij kTA verwijst naar het golfgetal van het snijpunt tussen dispersierelaties van transversale akoestische (TA ) fononen en magnonen. Rode omgekeerde driehoeken geven t = 15 ns, 20 ns en 25 ns aan na de bestraling van de pomppuls. (b) Een frequentievermogensspectrum van F~k(t) bij kx = kTA. De blauw gevulde cirkels geven de experimenteel verkregen spectrumintensiteit weer, terwijl de grijze curve de passende curve weergeeft. Omgekeerde rode driehoek markeert pieken. Fouten van de gegevens worden geëvalueerd als een standaarddeviatie, die kleiner is dan de gegevensplot. (c) Theoretisch berekende dispersiecurven van magnon polaronen rond kx = kTA en ky = 0, waarbij we gebruik maken van de kristallijne anisotropie-energie Kc = 73.0 [J ⋅ m−3], uniaxiale anisotropie-energie Ku = −767.5 [J ⋅ m−3 ], verzadigingsmagnetisatie Ms = 14.8 [kA ⋅ m−1], snelheid van LA fononen vLA = 6.51 [km ⋅ s−1], snelheid van TA fononen vTA = 3.06 [km ⋅ s−1] en magnon-phonon koppelingsconstante b2 = 1.8 × 105 [J ⋅ m−3]. De zwarte vaste curven vertegenwoordigen de dispersiecurven van magnon-polarons, terwijl de blauwe en rode gestippelde curven respectievelijk pure TA-fonons en magnons vertegenwoordigen. (d) Temporele evolutie van het reële deel van F~k(t) bij kx = kLA onder het magnetische veld B = 11.5 mT evenwijdig aan k, waarbij kLA verwijst naar het golfgetal van het snijpunt tussen dispersierelaties van longitudinale akoestische (LA ) fononen en magnonen. (e) Een frequentievermogensspectrum van F~k(t) bij kx = kLA. De zwarte gevulde cirkels geven de experimenteel verkregen spectrumintensiteit weer, terwijl de grijze curve de passende curve weergeeft. Fouten van de gegevens worden geëvalueerd als een standaarddeviatie, die kleiner is dan de gegevensplot. (f) Theoretisch berekende spreidingscurven van magnon polarons rond kx = kLA. De grijze lijn en rode curve vertegenwoordigen de dispersiecurven van respectievelijk LA-fonons en magnons. (g) Temporele evolutie van het reële deel van F~k(t) bij kx = kTA onder het magnetische veld B = 11.5 mT loodrecht op k. (h) Temporele evolutie van het reële deel van F~k(t) bij kx = kLA onder het magnetische veld B = 11.5 mT loodrecht op k. (i), Magneto-optische beelden gemaakt met verschillende vertragingstijden. Credit:Communicatiefysica (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1

Natuurkundigen hebben de verlengde levensduur van lutetium-ijzer-granaat bevestigd, terwijl ze de spin-warmte-omzetting meten, zelfs bij kamertemperatuur. De onderzoekers verwachten tegelijkertijd een coherente superpositie waar te nemen die een overeenkomstige kloppende oscillatie vormt tussen fononen en magnons. In dit werk beschreven Hioki et al. de waarneming van coherente slagen tussen twee fononen en magnons in lutetium-ijzer-granaat. Het team gebruikte in de tijd opgeloste magneto-optische microscopie en mat de magnetisatiedynamiek. Ze vonden het coherente kloppen van tientallen nanoseconden en bevestigden experimenteel een sterke koppeling tussen magnons en fononen in de kale film van lutetium-ijzer-granaat, afgekort als LUIG.

De experimentele opstelling

Hioki et al. onderzochten de kloppende oscillaties in vaste stoffen door de in de tijd opgeloste magneto-optische microscoop te ontwikkelen. Tijdens de experimenten gebruikten ze een dunne film van LUIG met een dikte van 1,8 µm, met grote magneto-optische effecten en kleine magnetisatiedemping. Het team prikkelde de magnetisatiedynamiek door een gepulseerd laserlicht met een golflengte van 800 nm in het monster te focussen, wat overeenkwam met bijna de helft van de energie van de bandgap van LUIG. De pomp prikkelde de spingolf of magnonen via foto-geïnduceerde demagnetisatie en foto-geïnduceerde expansie. De wetenschappers prikkelden selectief de magnon loodrecht op de verticale lijn met behulp van Huygens-Fresnel-interferenties. Daarna gebruikten ze nog een zwakke lichtpuls, bekend als de sondepuls op het monster met een golflengte van 630 nm, en maten de ruimtelijke verdeling van de magneto-optische Faraday-rotatie van de sondepuls die via een camera door het monster werd uitgezonden. Het team heeft de magnon-phonon gap-frequentie in het monster tijdens de experimenten opgelost.

Golfgetal en veldafhankelijkheid van magnon-fonon coherente oscillatie. (a) Frequentiespectrum Fk(ω) waargenomen bij B = 11,5 mT rond het snijpunt van de magnon- en transversale akoestische (TA) fonon-dispersiecurves. (b) Vergelijking tussen experimenteel verkregen kloof tussen de bovenste en onderste tak van het spectrum bij B = 11,5 mT en de theoretische berekening van de klooffrequentie. Foutbalken vertegenwoordigen standaarddeviatie. (c) Frequentiespectrum Fk(ω) waargenomen bij B = 13,0 mT rond het snijpunt van de magnon- en TA-phonon-dispersiecurves. (d) Vergelijking tussen experimenteel verkregen kloof tussen de bovenste en onderste tak van het frequentiespectrum bij B = 13,0 mT en de theoretische berekening van de klooffrequentie. Credit:Communicatiefysica (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1

Coherente oscillaties tussen fononen en magnons

Het team verkreeg een polarisatie-rotatiehoek na bestraling met pomppulsen, waarbij verticale golfpatronen verschenen in de buurt van de focus van de pomppuls om de magnon-excitatie van het apparaat aan te tonen. Ze bevestigden dat de polarisatierotatie het gevolg was van het magneto-optische Faraday-effect. De resultaten toonden de ontwikkeling van magnon-polarons op het snijpunt van de dispersiecurven van magnons en fononen na bestraling met pomppulsen. Hioki et al. hebben de zuivere magnonen rechtstreeks gemeten via microscopie om het periodiek oscillerende signaal als functie van de tijd met de frequentie van magnons te laten zien.

Ze maten vervolgens de magneto-optische Faraday-rotatie en toonden de verdwijning van het signaal wanneer magnons transformeerden in fononen. De waargenomen oscillaties impliceerden periodieke slagen tussen magnons en fononen in het tijdsdomein. Het team demonstreerde verder de coherente trillingsoscillaties in de echte ruimte via de tijdige verandering in het golfpatroon dat wordt opgewekt door de pomppuls. Ze bespraken de excitatiespectra van magnons en coherente oscillatiefrequentie, evenals de hoekfrequentie op de kruising tussen magnon- en fonon-distributiecurves. De uitkomsten kwamen goed overeen met de theoretische berekeningen.

Parameteraanpassing van coherente oscillatie. (a) Experimenteel verkregen temporele evolutie van |F~k(t)|2 bij B = 11,5 mT. (b) Berekende temporele evolutie van magnon-amplitude |a~k(t)|2. (c) Temporele evolutie van |F~k(t)|2 bij verschillende golfgetallen. Grijze curven vertegenwoordigen passende curven volgens Vgl. (3) beschreven in de studie. Fouten van de gegevens worden geëvalueerd als een standaarddeviatie, die kleiner is dan de gegevensplot. Credit:Communicatiefysica (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1

Numerieke berekening van de intensiteit van de magnon-excitatie. (a) Warmtekaart van G(r). σx en σy zijn ingesteld om vlakke-golfexcitatie van magnon polaron te realiseren (σx = 40 nm, σy = 40 nm). (b) Tijdsevolutie van excitatie-intensiteit f (t). (c) Warmtekaart van spectrumintensiteit berekend volgens Vgl. (ts = 1.5 ns, te = 1.6 ns, σt = 0.3 ns). De spectrumintensiteit piekt bij de dispersiekruising tussen transversale akoestische (TA) fonon en magnon, waardoor de experimentele resultaten worden gereproduceerd. Credit:Communicatiefysica (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1

Vooruitzichten

Op deze manier hebben Tomosato Hioki en collega's de tijdige evolutie van de magnon-amplitude numeriek gemeten door de Fourier-transformatie van de spectrale magnon-amplitude te berekenen. Het team beschouwde de gekoppelde dynamiek tussen transversale akoestische fononen en magnons als relevant voor de waargenomen oscillatie. Om de experimentele resultaten te begrijpen, hebben Hioki et al. de grote coöperativiteit toegeschreven aan de kleine intrinsieke magnetische demping en de hoge kwaliteitsfactor van fononen in granaatkristallen. De wetenschappers verbeterden de magnon-fononkoppeling in de film verder door fononische of magnonische kristallen uit de vlakke film te fabriceren, om de controle van magnons in magnonische circuits en apparaten te vergemakkelijken. De gepresenteerde magnon-fonon coherente oscillaties bieden een platform om de dynamiek van gekoppelde systemen te bestuderen, om de magnetische en elastische eigenschappen in een verscheidenheid aan magnetische materialen te reguleren. + Verder verkennen

Magnon-polaronen observeren met behulp van een magnetische structuur met nanopatroon verlicht door korte laserpulsen

© 2022 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Ziek dolfijnkalf verbetert met sondemelk, helpende handen
  2. Een nieuwe manier om feromonen te produceren als gewasbeschermingsmiddel
  3. DNA-transcriptie: hoe werkt het?
  4. Wereldwijde explosie van wegenbouw kan rampzalig zijn voor mens en natuur, zeggen wetenschappers
  5. Waarom hebben zoveel van onze huisdieren overgewicht?
  6. Hondenurine om bedreigde bonte plevieren te redden
  7. Neanderthaler DNA veranderde de manier waarop moderne mensen eruitzien
  8. Hoe zangvogels in opvallende kleuren een risico voor hen vormen
  9. Cambodja neemt lading ivoor in beslag, verborgen in holle boomstammen

Wetenschap