Natuurkundigen van MIPT en het Russische 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-letters , de oplossing heeft potentieel voor toepassingen in energie-efficiënte informatieoverdracht en spin-based quantum computing.

De spin van een deeltje is het intrinsieke impulsmoment, die altijd een richting heeft. In gemagnetiseerde materialen, de spins wijzen 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, spingolfvoortplanting houdt geen overdracht van materie in. Als resultaat, het gebruik van magnonen in plaats van elektronen om informatie over te dragen, leidt tot veel kleinere thermische verliezen. Gegevens kunnen worden gecodeerd in de fase of amplitude van een spingolf en worden verwerkt via golfinterferentie of niet-lineaire effecten.

Eenvoudige logische componenten op basis van magnons zijn al beschikbaar als voorbeeldapparaten. Echter, een van de uitdagingen bij het implementeren van deze nieuwe technologie is de noodzaak om bepaalde spingolfparameters te controleren. In veel opzichten, opwindende magnons is optisch handiger dan met andere middelen, met een van de voordelen die in het recente artikel in Nano-letters .

De onderzoekers wekten spingolven op in een nanogestructureerde bismut-ijzergranaat. Zelfs zonder nanopatronen, dat materiaal heeft unieke optomagnetische eigenschappen. Het wordt gekenmerkt door een lage magnetische demping, waardoor magnons 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 gevormd, met een periode van 450 nanometer. Deze geometrie maakt de excitatie van magnonen met een zeer specifieke spinverdeling mogelijk, wat niet mogelijk is voor een ongewijzigde film.

Om magnetisatieprecessie op te wekken, het team gebruikte lineair gepolariseerde pomplaserpulsen, waarvan de kenmerken de spindynamiek en het type gegenereerde spingolven beïnvloedden. belangrijk, golfexcitatie het gevolg van optomagnetische in plaats van thermische effecten.

De onderzoekers vertrouwden op sondepulsen van 250 femtoseconden 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 van de spingolf te bepalen, type, en andere parameters.

In tegenstelling tot de eerder beschikbare methoden, de nieuwe benadering maakt het mogelijk de gegenereerde golf te beheersen door verschillende parameters van de laserpuls die deze opwekt te variëren. Naast dat, door de geometrie van de nanogestructureerde film kan het excitatiecentrum worden 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 polarisatie van de laserpulsen maken de resonante excitatie van de golfgeleidermodi van het monster mogelijk, die worden bepaald door de kenmerken van de nanostructuur, dus het type aangeslagen spingolven kan worden gecontroleerd. Het is mogelijk dat elk van de kenmerken die samenhangen 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 Tsjernov, die aan het hoofd staat van het Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab bij MIPT. "Het creëren van praktische toepassingen zal afhangen van het kunnen overschrijden van de submicrometerschaal, het verhogen van de werksnelheid en de capaciteit voor multitasking. We hebben een manier laten zien om deze beperkingen te overwinnen door een magnetisch materiaal te nanostructureren. We hebben met succes licht gelokaliseerd op een plek met een diameter van enkele tientallen nanometers en staande spingolven van verschillende ordes effectief opgewekt. Dit type spingolven stelt de apparaten in staat om op hoge frequenties te werken, tot het terahertz-bereik."

Het artikel demonstreert experimenteel een verbeterde lanceringsefficiëntie en het vermogen om spindynamiek onder optische excitatie te regelen door korte laserpulsen in een speciaal ontworpen film van bismutijzergranaat met nanopatroon. Het opent nieuwe perspectieven voor magnetische dataverwerking en kwantumcomputing op basis van coherente spinoscillaties.