Begreppet koherent oscillation mellan fononer och magnoner, och tidsupplöst magneto-optisk mikroskopi. (a) En schematisk illustration av fononer och magnoner, (b) En schematisk illustration av koherent oscillation mellan fononer och magnoner. (c) Spridningskurvorna för fonon och magnon i lutetiumjärngranat (LuIG). (d) En förstorad vy runt A i Fig. 1c. De svarta kurvorna representerar spridningsförhållandet för hybridiserad magnon-fonon-polaron, medan de röda och blå streckade kurvorna representerar spridningsförhållandet för rena magnoner respektive tvärgående akustiska fononer. (e) Optisk inställning för den tidsupplösta magnetoptiska mikroskopin med den utökade fördröjningstiden. Den exciterade magnetiseringsdynamiken detekteras via polarisationsrotationsvinkeln för sondelaserpulsen inducerad av den magneto-optiska Faraday-effekten i provet. Detekteringen utförs av en laddningskopplad enhet (CCD) kamera. (f) Magneto-optisk bild observerad 3,5 ns efter pumppulsbestrålningen under det externa magnetfältet B = 11,5 mT parallellt med vågvektorn för de exciterade magnonerna. g, vågnummerspektrum för de erhållna magnetoptiska bilderna observerade 3,5 ns efter exciteringen (B = 11,5 mT). Infällningen visar en förstorad vy. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Två olika vågor med samma frekvens och våglängder kan kopplas, så att amplituden växlar periodiskt mellan de två för att bilda ett fenomen som kallas en koherent slagoscillation. Processen kan observeras ofta med en kopplad pendel, och i kosmisk skala som neutrinoscillationer som uppstår på grund av fluktuationer mellan olika neutriner. Fasta ämnen kan också upprätthålla olika vågexcitationer för att bidra till deras termiska och elektromagnetiska egenskaper.
I en ny rapport som nu publicerats i Nature Communications Physics , Tomosato Hioki och ett team av forskare inom materialforskning och tillämpad fysik vid Tohoku University och University of Tokyo i Japan, beskrev koherent slag som observerats mellan olika excitationsarter i ett fast ämne, nämligen fononer – kvantvibrationsmekanisk energi och magnoner – en kvasipartikel som representerar den kollektiva exciteringen av elektronens spinnstruktur. Teamet använde tidsupplöst magneto-optisk mikroskopi för att visa hur magnoner som genererades i en förening gradvis försvann genom att överföras till fononer, för att sedan återgå till formen av magnoner efter ett tag. Svängningsperioden överensstämde med magnon-fononslag. Forskarna föreställer sig att de experimentella resultaten kommer att bana väg för att konsekvent kontrollera magnon-fononsystem i fasta ämnen.
Fonon-magnon-interaktioner i lutetiumjärngranat
Fononer är vibrationsvågor av ett fast kristallgitter som är ansvariga för fasta ämnens elasticitet och termiska egenskaper. Magnoner eller spinnvågor är omvänt representativa för en vågig magnetiseringsrörelse, närvarande i magneter som är ansvariga för deras magnetiska och termiska egenskaper. Dessa två partiklar kan interagera inom fasta ämnen via magneto-elastiska och magneto-statiska kopplingar. Partiklarnas dynamik tillhandahålls i dispersionskurvorna för varje system för att visa sambandet mellan vågantalet och frekvensen. Forskare har registrerat spridningskurvorna för tvärgående akustiska fononer och magnoner i en film av en typisk isolator som lutetiumjärngranat. Sådana dispersionskurvor för fonon- och magnon-partiklarna upprätthåller en skärning runt vilken ett magnon-fonon-hybridiserat tillstånd kan bildas. Forskare har funnit att detta tillstånd uppvisar en extremt lång livslängd, mycket längre än rena magnoner på grund av hybridisering med fononer som bibehåller en lång livslängd.
Observation av magnon-fonon koherent oscillation. (a) Temporell utveckling av den reella delen av F~k(t) vid kx = kTA under magnetfältet B = 11,5 mT parallellt med k, där kTA hänvisar till vågnumret för skärningspunkten mellan spridningsförhållandena för transversell akustisk (TA) ) fononer och magnoner. Röda inverterade trianglar indikerar t = 15 ns, 20 ns och 25 ns efter pumppulsbestrålningen. (b) Ett frekvenseffektspektrum av F~k(t) vid kx = kTA. De blå fyllda cirklarna representerar experimentellt erhållen spektrumintensitet, medan den grå kurvan representerar passningskurvan. Omvänd röd triangel framhäver toppar. Fel i data utvärderas som en standardavvikelse, som är mindre än datadiagrammet. (c) Teoretiskt beräknade dispersionskurvor för magnonpolaroner runt kx = kTA och ky = 0, där vi använder den kristallina anisotropienergin Kc = 73,0 [J ⋅ m−3], enaxlig anisotropienergi Ku . ], mättnadsmagnetisering Ms = 14,8 [kA ⋅ m−1], LA-fononernas hastighet vLA = 6,51 [km ⋅ s−1], hastigheten för TA-fononerna vTA = s−1], hastigheten för TA-fononerna vTA = s−1 b2 = 1,8 × 105 [J ⋅ m−3]. De svarta solida kurvorna representerar spridningskurvorna för magnonpolaroner, medan de blå och röda streckade kurvorna representerar rena TA-fononer respektive magnoner. (d) Temporell utveckling av den reella delen av F~k(t) vid kx = kLA under magnetfältet B = 11,5 mT parallellt med k, där kLA avser vågnumret för skärningspunkten mellan spridningsförhållanden för longitudinell akustisk (LA) ) fononer och magnoner. (e) Ett frekvenseffektspektrum av F~k(t) vid kx = kLA. De svarta fyllda cirklarna representerar experimentellt erhållen spektrumintensitet, medan den grå kurvan representerar passningskurvan. Fel i data utvärderas som en standardavvikelse, som är mindre än datadiagrammet. (f) Teoretiskt beräknade spridningskurvor för magnonpolaroner runt kx = kLA. Den grå linjen och den röda kurvan representerar spridningskurvorna för LA-fononer respektive magnoner. (g) Temporell utveckling av den reella delen av F~k(t) vid kx = kTA under magnetfältet B = 11,5 mT vinkelrätt mot k. (h) Temporell utveckling av den reella delen av F~k(t) vid kx = kLA under magnetfältet B = 11,5 mT vinkelrätt mot k. (i), Magneto-optiska bilder tagna med olika fördröjningstider. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Fysiker har bekräftat den förlängda livslängden i lutetiumjärngranat, samtidigt som de mäter spin-värmeomvandlingen, även vid rumstemperatur. Forskarna förväntar sig att samtidigt observera en sammanhängande superposition som bildar en motsvarande slagsvängning mellan fononer och magnoner. I detta arbete beskrev Hioki et al observationen av koherent slag mellan två fononer och magnoner inom granat av lutetiumjärn. Teamet använde tidsupplöst magneto-optisk mikroskopi och mätte magnetiseringsdynamiken. De fann det sammanhängande slaget på upp till tiotals nanosekunder och bekräftade experimentellt stark koppling mellan magnoner och fononer i den kala filmen av lutetiumjärngranat, förkortat LUIG.
Experimentinställningen
Hioki et al undersökte slagoscillationerna i fasta ämnen genom att utveckla det tidsupplösta magnetoptiska mikroskopet. Under experimenten använde de en tunn film av LUIG med en tjocklek på 1,8 µm, med stora magnetoptiska effekter och liten magnetiseringsdämpning. Teamet exciterade magnetiseringsdynamiken genom att fokusera ett pulsat laserljus med en våglängd på 800 nm in i provet, vilket motsvarade nästan hälften av energin i bandgapet hos LUIG. Pumpen exciterade spinnvågen eller magnonerna via fotoinducerad avmagnetisering och fotoinducerad expansion. Forskarna exciterade selektivt magnonen vinkelrätt mot den vertikala linjen genom att använda Huygens-Fresnel-interferenser. Därefter använde de en annan svag ljuspuls, känd som sondpulsen på provet med en våglängd på 630 nm, och mätte den rumsliga fördelningen av den magneto-optiska Faraday-rotationen av sondpulsen som överfördes genom provet via en kamera. Teamet löste magnon-fonon-gapfrekvensen i provet under experimenten.
Vågnummer och fältberoende för magnon-fonon koherent oscillation. (a) Frekvensspektrum Fk(ω) observerat vid B = 11,5 mT runt skärningspunkten mellan magnon- och tvärgående akustiska (TA) fononspridningskurvor. (b) Jämförelse mellan experimentellt erhållet gap mellan den övre grenen och den nedre grenen av spektrumet vid B = 11,5 mT och den teoretiska beräkningen av gapfrekvensen. Felstaplar representerar standardavvikelse. (c) Frekvensspektrum Fk(ω) observerat vid B = 13,0 mT runt skärningspunkten mellan magnon- och TA-fonon-dispersionskurvorna. (d) Jämförelse mellan experimentellt erhållet gap mellan den övre grenen och den nedre grenen av frekvensspektrumet vid B = 13,0 mT och den teoretiska beräkningen av gapfrekvensen. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Teamet fick en polarisationsrotationsvinkel efter pump-pulsbestrålning, där vertikala vågmönster uppträdde i närheten av pumppulsens fokus för att demonstrera magnon-exciteringen av enheten. De bekräftade att polarisationsrotationen berodde på den magnetoptiska Faraday-effekten. Resultaten visade utvecklingen av magnonpolaroner i skärningspunkten mellan dispersionskurvorna för magnoner och fononer efter pump-pulsbestrålning. Hioki et al mätte direkt de rena magnonerna via mikroskopi för att visa den periodiskt oscillerande signalen som en funktion av tiden med frekvensen av magnoner.
De mätte sedan den magneto-optiska Faraday-rotationen och visade signalens försvinnande när magnoner omvandlades till fononer. De observerade svängningarna antydde periodiskt slag mellan magnoner och fononer i tidsdomänen. Teamet demonstrerade ytterligare de koherenta svängningarna i det verkliga rymden via den aktuella förändringen i vågmönstret som exciteras av pumppulsen. De diskuterade excitationsspektra för magnoner och koherent oscillationsfrekvens, såväl som vinkelfrekvensen i skärningspunkten mellan magnon- och fononfördelningskurvor. Resultaten visade god överensstämmelse med de teoretiska beräkningarna.
Parameteranpassning av koherent oscillation. (a) Experimentellt erhållen temporal utveckling av |F~k(t)|2 vid B = 11,5 mT. (b) Beräknad temporal utveckling av magnonamplitud |a~k(t)|2. (c) Temporell utveckling av |F~k(t)|2 vid olika vågnummer. Grå kurvor representerar passande kurvor enligt ekv. (3) som beskrivs i studien. Fel i data utvärderas som en standardavvikelse, som är mindre än datadiagrammet. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Numerisk beräkning av magnon excitationsintensitet. (a) Värmekarta över G(r). σx och σy är inställda för att realisera planvågsexcitation av magnonpolaron (σx = 40 nm, σy = 40 nm). (b) Tidsutveckling av excitationsintensiteten f(t). (c) Värmekarta över spektrumintensitet beräknad enligt ekv. (ts = 1,5 ns, te = 1,6 ns, σt = 0,3 ns). Spektrumintensiteten når toppen vid spridningskorsningen mellan transversell akustisk (TA) fonon och magnon, vilket återger de experimentella resultaten. Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
På detta sätt mätte Tomosato Hioki och kollegor numeriskt den tidsmässiga utvecklingen av magnonamplituden genom att beräkna Fouriertransformen av den spektrala magnonamplituden. Teamet ansåg att den kopplade dynamiken mellan tvärgående akustiska fononer och magnoner var relevant för den observerade oscillationen. För att förstå de experimentella resultaten krediterade Hioki et al den stora samverkan till den lilla inneboende magnetiska dämpningen och högkvalitativa faktorn hos fononer i granatkristaller. Forskarna förbättrade ytterligare magnon-fonon-kopplingen i filmen genom att tillverka fononiska eller magnoniska kristaller ur den plana filmen, för att underlätta kontrollen av magnoner i magnoniska kretsar och enheter. De presenterade magnon-fonon-koherenta svängningarna ger en plattform för att studera dynamiken hos kopplade system, för att reglera de magnetiska och elastiska egenskaperna i en mängd olika magnetiska material. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
