Magnon excitation. Kredit:Daria Sokol/MIPT
Fysiker från MIPT och Russian Quantum Center, sällskap av kollegor från Saratov State University och Michigan Technological University, har visat nya metoder för att kontrollera spinnvågor i nanostrukturerade vismutjärnsgranatfilmer via korta laserpulser. Presenteras i Nanobokstäver , lösningen har potential för tillämpningar inom energieffektiv informationsöverföring och spinnbaserad kvantberäkning.
En partikels spinn är dess inneboende rörelsemängd, som alltid har en riktning. I magnetiserade material, snurren pekar alla i en riktning. En lokal störning av denna magnetiska ordning åtföljs av fortplantningen av spinnvågor, vars kvanta är kända som magnoner.
Till skillnad från den elektriska strömmen, spinnvågsutbredning innebär inte en överföring av materia. Som ett resultat, att använda magnoner snarare än elektroner för att överföra information leder till mycket mindre värmeförluster. Data kan kodas i fasen eller amplituden för en spin-våg och bearbetas via våginterferens eller olinjära effekter.
Enkla logiska komponenter baserade på magnoner finns redan tillgängliga som provenheter. Dock, en av utmaningarna med att implementera denna nya teknik är behovet av att kontrollera vissa spinnvågsparametrar. I många avseenden, spännande magnoner är optiskt bekvämare än på andra sätt, med en av fördelarna som presenterades i den senaste artikeln i Nanobokstäver .
Forskarna exciterade spinnvågor i en nanostrukturerad vismutjärngranat. Även utan nanomönster, det materialet har unika optomagnetiska egenskaper. Det kännetecknas av låg magnetisk dämpning, tillåter magnoner att föröka sig över stora avstånd även vid rumstemperatur. Den är också mycket optiskt transparent i det nära infraröda området och har en hög Verdet-konstant.
Filmen som användes i studien hade en utarbetad struktur:ett slätt nedre lager med ett endimensionellt galler bildat ovanpå, med en period på 450 nanometer. Denna geometri möjliggör excitation av magnoner med en mycket specifik spinnfördelning, vilket inte är möjligt för en omodifierad film.
Schematisk representation av spinnvågsexcitation med optiska pulser. Laserpumpens puls genererar magnoner genom att lokalt störa ordningen av snurr – visade som violetta pilar – i vismutjärngranat (BiIG). En sondpuls används sedan för att återställa information om de exciterade magnonerna. GGG betecknar gadolinium gallium granat, som fungerar som substrat Kredit:Alexander Chernov et al./Nano Letters
För att excitera magnetiseringsprecession, laget använde linjärt polariserade pumplaserpulser, vars egenskaper påverkade spindynamiken och typen av spinnvågor som genererades. Viktigt, vågexcitation var resultatet av optomagnetiska snarare än termiska effekter.
Forskarna förlitade sig på 250 femtosekunders sondpulser för att spåra provets tillstånd och extrahera spinnvågsegenskaper. En sondpuls kan riktas till vilken punkt som helst på provet med en önskad fördröjning i förhållande till pumppulsen. Detta ger information om magnetiseringsdynamiken i en given punkt, som kan bearbetas för att bestämma spinnvågens spektrala frekvens, typ, och andra parametrar.
Till skillnad från de tidigare tillgängliga metoderna, det nya tillvägagångssättet gör det möjligt att kontrollera den genererade vågen genom att variera flera parametrar för laserpulsen som exciterar den. Utöver det, geometrin hos den nanostrukturerade filmen gör att excitationscentret kan lokaliseras på en plats som är cirka 10 nanometer stor. Nanomönstret gör det också möjligt att generera flera olika typer av spinnvågor. Infallsvinkeln, laserpulsernas våglängd och polarisation möjliggör resonansexcitering av provets vågledarlägen, som bestäms av nanostrukturens egenskaper, så den typ av spinnvågor som exciteras kan kontrolleras. Det är möjligt för var och en av de egenskaper som är förknippade med optisk excitation att varieras oberoende för att åstadkomma den önskade effekten.
"Nanofotonik öppnar upp för nya möjligheter inom området ultrasnabb magnetism, " sa studiens medförfattare, Alexander Chernov, som leder Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab vid MIPT. "Skapandet av praktiska tillämpningar kommer att bero på att kunna gå utanför submikrometerskalan, öka drifthastigheten och kapaciteten för multitasking. Vi har visat ett sätt att övervinna dessa begränsningar genom att nanostrukturera ett magnetiskt material. Vi har framgångsrikt lokaliserat ljus på en plats några tiotals nanometer tvärs över och effektivt exciterat stående spinnvågor av olika storlek. Denna typ av spinnvågor gör att enheterna kan arbeta vid höga frekvenser, upp till terahertz-intervallet."
Uppsatsen demonstrerar experimentellt en förbättrad lanseringseffektivitet och förmåga att kontrollera spindynamiken under optisk excitation av korta laserpulser i en specialdesignad nanopönstrad film av vismutjärnsgranat. Det öppnar för nya möjligheter för magnetisk databehandling och kvantberäkning baserad på koherenta spinnsvängningar.
