В МФТИ продемонстрировали новые методы управления спиновыми волнами — Naked Science
9 минут
ФизТех

В МФТИ продемонстрировали новые методы управления спиновыми волнами

4.2

Ученые из МФТИ и Российского квантового центра совместно с коллегами из Саратовского государственного университета и Мичиганского технологического университета продемонстрировали новые методы управления спиновыми волнами при помощи коротких лазерных импульсов в особым образом структурированных пленках феррит-граната. Найденное решение может быть востребовано для передачи информации с низкими энергозатратами (или энергопотреблением) и квантовых вычислений на основе спинов.

Возбуждение магнонов / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Статья опубликована в журнале Nano Letters. Спин (spin – вращение) — это собственный магнитный момент частицы, который всегда имеет направление. В намагниченных материалах наблюдается коллективная ориентация спинов в одном направлении — магнитный порядок. Локальное нарушение магнитного порядка сопровождается распространением спиновой волны по системе.

Распространение спиновой волны — магнонов — не сопровождается переносом вещества, как это происходит, например, при электрических токах. Благодаря этому передача информации спиновыми волнами происходит с гораздо меньшими термическими потерями по сравнению с традиционными электронными способами. Данные можно закодировать в фазу или амплитуду волны, а обработать их — с помощью интерференции волн или нелинейных эффектов.

Уже сейчас есть примеры создания простейших логических элементов на основе магнонов. Важная задача, которую необходимо решить для внедрения новой технологии — управление различными параметрами создаваемой волны. Оптический метод возбуждения имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, и одно из них было продемонстрировано в этой научной работе.

Ученые возбуждали спиновые волны в особым образом структурированной пленке феррит-граната, модифицированного висмутом. Материал обладает уникальными оптомагнитными свойствами: низким магнитным затуханием, что обеспечивает распространение магнонов на большие расстояния даже при комнатной температуре, высокой оптической прозрачностью в ближнем инфракрасном диапазоне и высоким значением константы Верде.

Сама пленка представляет собой гладкий нижний слой со сформированной сверху одномерной решеткой с периодом 450 нм. Такая геометрия позволяет возбуждать тип колебаний (моды) со специальным распределением спинов в магноне, недоступном при работе с пленкой без модификаций. Для возбуждения прецессии намагниченности использовались линейно поляризованные лазерные импульсы накачки, характеристики которых влияют на спиновую динамику и тип возбуждаемых спиновых волн.

Важно отметить, что возбуждение волн было вызвано не термическими, а оптомагнитными эффектами. Изменения в образце определялись с помощью зондирующих импульсов длиной 250 фемтосекунд, которые могут быть направлены в необходимую точку с желаемой временной задержкой относительно импульса накачки. Такая установка позволяет определить динамику намагниченности в конкретной точке образца и после обработки дает информацию о спектральной частоте спиновой волны, ее типе и других характеристиках.

В отличие от предыдущих методов, разработанный учеными подход позволяет контролировать возбужденную волну с помощью нескольких параметров возбуждающего лазерного импульса. Помимо этого, геометрия наноструктурированной пленки позволяет локализовать центр возбуждения в пятне размером порядка 10 нм и делает возможным возбуждение различных типов спиновых волн, что не получилось бы при использовании обычной пленки.

Угол падения, поляризация и длина волны лазерных импульсов позволяют резонансно возбуждать волноводные моды образца, которые определяются параметрами наноструктуры, и в результате управлять видом возбуждаемых спиновых волн. Все параметры, которые задаются оптическим возбуждением, могут легко варьироваться по отдельности для получения необходимого результата.

Схема оптического возбуждения спиновых волн. Лазерный возбуждающий импульс (pump) локально нарушает спиновый порядок (спины показаны фиолетовыми стрелками). Возникающие при этом магноны анализируются с помощью зондирующего импульса (probe) / ©Nano Letters

«Нанофотоника открывает новые возможности в области сверхбыстрого магнетизма, — говорит Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ. — Для создания практических приложений необходимо преодолеть субмикронный масштаб, увеличить скорость работы и многозадачность.

Мы продемонстрировали, как можно преодолеть данные ограничения при помощи наноструктурирования магнитного материала. Нам удалось локализовать свет в области размером десятки нанометров и эффективно возбуждать стоячие спиновые волны различных порядков. Данный тип спиновых волн позволяет устройствам на их основе работать на высоких частотах (до терагерцевых)».

В работе экспериментально были показаны увеличение эффективности запуска и возможность контроля спиновой динамики при ее оптическом возбуждении в специально созданной наноструктурированной пленке феррит-граната с помощью коротких лазерных импульсов. Это открывает новые возможности для решения таких проблем, как магнитная обработка данных и квантовые вычисления, основанные на когерентных спиновых колебаниях.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
213 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 08:57
7 минут
СФУ

Ученые Сибирского федерального университета в составе международной группы изучили двумерные полимеры на основе тетраоксо[8]циркулена и атомов s-металлов таблицы Менделеева с помощью квантово-химического моделирования. Выяснилось, что модификация поверхности полимера тетраоксо[8]циркулена атомами кальция приводит к появлению сверхпроводимости при температуре ниже 14,5 К и возможной реализации двухуровневой системы на атомах кальция, перспективной для построения квантовых битов и последующей реализации в квантовых компьютерах.

6 часов назад
2 минуты
Илья Ведмеденко

Новый российский истребитель пятого поколения испытали стрельбой из пушки. Ранее Воздушно-космические силы получили первый серийный самолет.

9 часов назад
4 минуты
Сергей Васильев

На очередных испытаниях прототип Starship впервые совершил успешную посадку, после чего сразу взорвался. Эксперты связывают аварию с отказавшим клапаном одного из топливных баков.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

26 февраля
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

Позавчера, 10:00
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: