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.
«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.
