Лазер вместо антенны: физики научились запускать объемные спиновые волны
Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Российского квантового центра и МГУ впервые смогли не только возбудить, но и зарегистрировать прямые объемные магнитостатические спиновые волны с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Результаты работы опубликованы в журнале Annalen der Physik.
Новый подход открывает возможности для создания быстрых и энергоэффективных устройств спинтроники и оптомагноники — технологий, где информация переносится не электрическим током, а спиновыми возбуждениями в магнитных материалах.
Спиновые волны представляют собой коллективные колебания магнитных моментов — спинов — внутри магнитного материала. В отличие от электрического тока, при распространении они практически не выделяют тепло, но при этом способны передавать информацию с высокой скоростью и на высоких частотах. Благодаря этим свойствам спиновые волны рассматриваются как одна из возможных основ вычислительных устройств будущего.
«Спиновые волны давно считаются перспективным инструментом для передачи и обработки информации. Они распространяются без значительных тепловых потерь, имеют высокую скорость и подходят для реализации логических операций. До сих пор прямые объемные спиновые волны возбуждали в основном высокочастотными антеннами, а мы решили использовать для этого лазерные импульсы — это потенциально более гибкий и перспективный подход», — рассказал Станислав Коларь, сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.
Спиновые волны делятся на поверхностные и объемные. Последние, в свою очередь, могут быть прямыми или обратными — в зависимости от взаимного направления фазовой и групповой скоростей. Наибольший интерес вызывают именно прямые объемные спиновые волны: они распространяются одинаково во всех направлениях тонкой пленки. Это особенно важно для создания компактных двумерных логических схем, где нежелательно наличие «выделенных» направлений распространения сигнала.
Однако оптически возбуждать такие волны крайне сложно. При обычном падении света на поверхность создаваемое магнитное поле практически не передает вращающий момент системе спинов, и волна не возникает. Если же угол падения сделать небольшим, становится трудно регистрировать колебания намагниченности.
Авторы решили эту проблему необычной геометрией эксперимента: возбуждающий и считывающий лазерные пучки направлялись на поверхность под большими углами — около 70° и 60° соответственно.
Возбуждение спиновой волны происходило благодаря обратному эффекту Фарадея: поляризованный свет создавал эффективное магнитное поле, запускающее колебания спинов. Для регистрации использовался прямой эффект Фарадея — изменение поляризации проходящего света под действием колебаний магнитного состояния материала.
«Самыми сложными оказались именно экспериментальные задачи. При больших углах падения намного труднее контролировать положение лазерных пучков и их взаимодействие с образцом. Кроме того, сама конфигурация магнитного поля и лазерного излучения значительно усложняла эксперимент. Тем не менее нам удалось реализовать такую схему и добиться устойчивого сигнала», — отметил Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.
В ходе эксперимента ученые впервые продемонстрировали возбуждение и регистрацию прямых объемных спиновых волн в пленке висмут-замещенного иттрий-железного граната (Bi:YIG) толщиной 42 микрометра. Волны распространялись более чем на 100 микрометров, а их длина составляла 150–170 микрометров.
Исследователи также измерили скорость распространения волн. Групповая скорость составила около 22 км/с, а фазовая — примерно 230 км/с. Теоретические оценки давали более высокие значения — 54 км/с и 334 км/с соответственно. Разницу ученые объясняют тем, что лазер возбуждает не одну отдельную волну, а сразу набор различных мод.
Одним из главных преимуществ нового метода стала его универсальность. Подход практически не зависит от толщины магнитной пленки и потенциально может применяться даже к нанометровым структурам.
Кроме того, параметры возбуждаемых волн можно менять прямо во время эксперимента.
«Наш метод позволяет гибко управлять характеристиками спиновых волн уже в процессе измерений. Например, частоту можно изменять магнитным полем, а спектр возбуждаемых волн — размером лазерного пятна. Это значительно расширяет возможности исследования и настройки таких систем», — подчеркнул Александр Чернов.
Авторы считают, что разработанный подход может стать важным шагом в развитии оптомагноники и спинтроники — от фундаментальных исследований до создания реальных магнонных логических схем и энергоэффективных вычислительных устройств нового поколения.
Источник: Исследователи запустили объемные спиновые волны с помощью лазерных импульсов — За науку