Физики смоделировали сильное взаимодействие магнонов и фотонов на простейшей системе

Ученые из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ впервые создали полную компьютерную модель сильного взаимодействия магнонов и фотонов в системе на основе железо-иттриевого граната и сверхвысокочастотного резонатора. Это исследование важно для спинтронных и квантовых технологий, включая высокочувствительные сенсоры и элементы квантовых систем. Работа опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ».

Магнон — это квазичастица, представляющая коллективное спиновое возбуждение в магнитных материалах, а фотон — квант электромагнитного излучения. При взаимодействии света и магнонов может наблюдаться гибридизация: вместо двух отдельных мод (магнонной и фотонной) возникают гибридные состояния. Сила взаимодействия определяется параметром связи между модами. Гибридные магнон-фотонные состояния используются, например, для перестраиваемых фильтров или интерконнектов между кубитами.

Ученые впервые смоделировали магнон-фотонную гибридизацию в простой системе: пленка железо-иттриевого граната и сверхвысокочастотный резонатор в микрополосковой линии. В модели применялось электромагнитное моделирование в ANSYS HFSS. Под действием внешнего магнитного поля в пленке возникают магноны, а в резонаторе — фотонные моды. Физики анализировали силу связи, передачу энергии и спектры на наличие расщепления при четырех положениях пленки относительно резонатора.

«Мы моделировали не абстрактную схему из двух осцилляторов, а реальную микроволновую структуру с резонатором и пленкой, учитывая тензорную магнитную проницаемость ферромагнетика и её зависимость от магнитного поля. Наша цель — понять, какая геометрия и положение пленки дают максимальное взаимодействие, и проверить это численным моделированием», — рассказал Ансар Сафин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и руководитель лаборатории Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и профессор МФТИ.

Результаты показали, что сильнейшее взаимодействие возникает при центральном положении пленки. Относительное расщепление частот достигает 0,06, а параметр связи — около 166 МГц. Это означает расхождение частот на 6% при совпадении резонатора и пленки — прямое свидетельство гибридизации. В других положениях расщепление значительно меньше.

Моделирование выявило, что решающим фактором силы связи является пространственное перекрытие пленки с максимумом сверхвысокочастотного магнитного поля. Исследователи создали карту управления связью: перемещая пленку от края к центру поля, они наблюдали переход от обособленного существования мод к сильной гибридизации.

«Нас впечатлила чувствительность к положению пленки: небольшое смещение сильно меняет расщепление. Это открывает возможности для точной настройки и новых приложений», — отметила Кристина Самойленко, сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ.

Модель легко проверить экспериментально: резонатор воспроизводим, измерения возможны на установке для ферромагнитного резонанса. Сейчас разрабатывается микроволновый резонатор для исследований пленок железо-иттриевого граната и других материалов.

Результаты перспективны для развития перестраиваемых сверхвысокочастотных резонаторов и фильтров, а также высокочувствительных датчиков. В долгосрочной перспективе они могут способствовать созданию элементов гибридных квантовых магнонных схем, где магноны служат связью между кубитами квантовых компьютеров.

Источник: Физики смоделировали сильную связь магнонов и фотонов на примере простой системы — За науку