Физики из Германии, Нидерландов и Норвегии предложили измерять когерентность магнонов с помощью аналога интерферометра Хэнбери Брауна — Твисса, который использует корреляции между сигналами детекторов, измеренных в разные моменты времени. Чтобы подтвердить работоспособность предложенного метода, исследователи теоретически рассчитали функции когерентности для магнонов, рождающихся при когерентном ферромагнитном резонансе и спиновом эффекте Зеебека. По оценкам ученых, реализовать такой эксперимент на практике можно в течение ближайших десяти лет. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В 1930 году немецкий физик Феликс Блох заметил, что размагничивание ферромагнетика можно объяснить с помощью квазичастиц-магнонов. Чтобы понять, что представляют собой эти квазичастицы, рассмотрим цепочку связанных спинов. В первом приближении спины взаимодействуют как обычные диполи, поэтому энергия их взаимодействия пропорциональна косинусу взаимного угла. Проще говоря, спинам выгодно выстроиться в одном и том же направлении. При низких температурах, когда тепловыми флуктуациями можно пренебречь, так и происходит, и вещество превращается в намагниченный ферромагнетик. Однако при повышении температуры один из спинов отклоняется от равновесного состояния, тянет за собой соседей и запускает волну, которая бежит по цепочке и последовательно переворачивает спины. Собственно, такую спиновую волну называют магноном. Чем выше температура, тем сильнее разупорядочиваются спины, и тем больше магнонов образуется в материале. В результате намагниченность вещества постепенно уменьшается, пока окончательно не пропадает при критической температуре. При этом намагниченность, теоретически рассчитанная для газа магнонов, хорошо согласуется с намагниченностью реальных ферромагнетиков.
Долгое время магноны были всего лишь математической уловкой, позволяющей удобно описывать низкотемпературные возбуждения ферромагнетиков, однако около двадцати лет назад им удалось найти практическое применение. После того, как физики научились аккуратно генерировать магноны и управлять их внутренним состоянием, оказалось, что эти квазичастицы можно использовать для обработки, хранения и передачи информации. Грубо говоря, в таких приборах магноны служат аналогами электронов. Интересно, что, в отличие от электронов, магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, то есть собираются в одном квантовом состоянии. Теоретически, это позволяет получить сверхтекучий спиновый ток и передать информацию без потери энергии. К сожалению, до сих пор физики не смогли проверить, сохраняется ли когерентность магнонов при движении через ферромагнетик, хотя и получили бозе-конденсат этих квазичастиц.
Группа исследователей под руководством Ремберта Дёйне (Rembert Duine) придумала, как проверить это свойство, и предложила схему подходящего эксперимента. В основе предложенной схемы лежит кросс-корреляционный интерферометр, разработанный в середине 1950-х годов астрофизиками Робертом Хэнбери Брауном (Robert Hanbury Brown) и Ричардом Твиссом (Richard Twiss). В этом приборе поступающий пучок частиц разделяется на два равных пучка и направляется на два детектора, работающих с ненулевой задержкой по времени. В результате прибор получает так называемую функцию временно́й когерентности второго порядка g(t) (second-order temporal coherence function), которая определяет, с какой вероятностью второй детектор зарегистрирует сигнал в момент времени t, если первый детектор увидел частицу в нулевой момент. Для когерентных источников, например, лазера, функция g(t) = 1, поскольку частицы из обоих пучков достигают детекторов в случайные моменты времени. Для некогерентных источников g(t) > 1. Это связано с так называемым «связыванием» (bunching) бозонов; например, для излучения черного тела g(0) = 2. Следовательно, функцию g(t) можно рассматривать как своеобразную меру когерентности пучка. Более того, для простоты достаточно взять только ее значение в нуле.
Поэтому ученые адаптировали интерферометр Хэнбери Брауна и Твисса (ХБТ) для спиновых токов и теоретически рассчитали функцию g(0) для конкретной реализации прибора. Для этого физики заменили источник фотонов источником магнонов, распространяющихся в ферромагнитном изоляторе, а фотоумножительные трубки интерферометра ХБТ на металлические провода. Когда по изолятору бегут спиновые волны, благодаря спиновому эффекту Холла в проводе наводится электрический ток, а потому его можно использовать в качестве детектора квазичастиц. Впрочем, помимо поглощения магнонов такой детектор отражает часть квазичастиц обратно в изолятор, а потому функцию g(0) необходимо рассчитывать с учетом такой неидеальности.
В своей статье ученые рассмотрели два основных метода генерации магнонов: когерентный ферромагнитный резонанс и спиновый эффект Зеебека. В первом случае спиновые волны создаются за счет резонанса с внешним переменным магнитным полем, во втором случае — за счет нагрева материала (вспомните пример из начала новости). Поэтому «резонансные» магноны когерентны (как фотоны лазера), а «тепловые» — некогерентны (как излучение черного тела). Для обоих случаев ученые рассчитали ожидаемый электрический сигнал и интенсивность потока магнонов, а затем нашли функцию g(0). Как и ожидалось, в первом случае исследователи получили g(0) = 1, а во втором случае — g(0) = 2. Следовательно, с помощью корреляций электрических сигналов действительно можно проверить, сохраняется ли когерентность магнонов при движении по материалу.
Впрочем, авторы статьи отмечают, что при расчетах они сделали несколько приближений, которые на практике могут не выполняться. Во-первых, они пренебрегли зависимостью функции g(0) от расстояния между детекторами, то есть считали, что это расстояние меньше длины когерентности магнонов. Если это не так, то функция g(0) для «тепловых» магнонов будет затухать с увеличением расстояния и приближаться к единице. Во-вторых, физики не учитывали, что при близком расположении проводов электроны могут туннелировать между ними и «размывать» сигнал. В-третьих, исследователи считали, что шум, возникающий при преобразовании спиновой волны в электрический сигнал, пренебрежимо мал. Наконец, ученые пренебрегали существованием разных типов магнонов и взаимодействием между квазичастицами. Тем не менее, физики надеются, что в ближайшие десять лет предсказанный эффект будет проверен экспериментально.
Хотя теоретически существование магнонов было обосновано почти 80 лет назад, точно измерить свойства этих квазичастиц физики до сих пор не смогли. Поэтому ученые до сих пор плохо понимают некоторые эффекты, связанные с магнонами. Например, в апреле 2017 года немецкие физики обнаружили, что магноны могут существовать при температуре значительно выше точки Кюри, когда магнитный порядок материала разрушается, и оно превращается в парамагнетик. Тем не менее, даже при отсутствии полного понимания спиновых волн исследователи уже научились применять их на практике. Например, в 2016 году японские ученые запустили нейросеть на основе спинтронного устройства, а в 2018 году российские физики построили спиновый диод. Подробно прочитать про перспективы таких устройств можно в материале «Магнетизм электричества».
Дмитрий Трунин