Детектор из 11 атомов уловил спиновые волны
Группа физиков создала миниатюрный детектор спиновых волн, состоящий всего из 11 атомов. Разработанный детектор обладает памятью в несколько секунд, что делает его совместимым с современными методами измерения с помощью сканирующих туннельных микроскопов. Работа опубликована в журнале Nature Communications Physics.
Работа устройств спинтроники основана на магнонах, или спиновых волнах, которые представляют собой элементарные магнитные возбуждения спинов (о спинтронике и ее приложениях можно почитать в нашем материале «Магнетизм электричества»). К сожалению, контролировать спиновые волны в наноустройствах невероятно сложно. Помимо того, что волны распространяются чрезвычайно быстро, они могут двигаться в противоположных направлениях одновременно благодаря своей квантовой природе. Чтобы управлять спиновыми волнами, необходимо, для начала, научиться наблюдать за их динамикой с высокой точностью.
Для измерения магнонов в атомных структурах существуют схемы обнаружения, использующие атомный зонд в сканирующем микроскопе. К сожалению, современные сканирующие микроскопы часто не способны уловить быстрые спиновые волны: для зондирования динамического отклика, который происходит быстрее, чем время измерения микроскопа, необходимо разработать промежуточный детектор с памятью, который сохранит отклик до тех пор, пока он не будет измерен микроскопом. Другими словами, детектор с памятью должен записывать информацию на временном масштабе, доступном для сканирующего микроскопа (порядка секунды). Однако разработка такой системы — серьезный вызов для физиков-экспериментаторов.
Группа исследователей из Университета Делфта под руководством профессора Сандера Отте (Sander Otte) создала такой промежуточный детектор для изучения динамики магнонов. Детектор представляет собой квантовую систему, очень чувствительную к возбуждениям: атомы железа, выстроенные в цепочку, способны измерить проходящую спиновую волну и хранить результат измерений до нескольких секунд после самого факта прохождения волны. Устройство содержало три атома во входном слое и восемь атомов на выходе.
Для измерения волн физики сначала инициализировали все атомы детектора в основном состоянии с наименьшей энергией. Затем на входной слой подавалась спиновая волна, которая затем передавалась и в выходной слой. Через какое-то время атомы во входном слое релаксировали и оказывались в основном состоянии. Из-за созданного взаимодействия атомы в выходном слое хранили информацию о спиновой волне в своем состоянии достаточно долго и могли быть считаны с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Для оценки чувствительности построенного прибора, исследователи подключили устройство к атомным цепочкам, по которым передавались магнитные волны. В результате им удалось успешно уловить спиновые волны, которые возникали на расстоянии до девяти атомов от детектора. Физики обещают, что такой чувствительности должно хватить для изучения более сложных систем, которые потенциально могут использовать в спинтронике — что и планируют делать дальше авторы работы.
Помимо классических компьютеров магноны можно использовать в квантовых компьютерах, в которых особенно важна квантовая когерентность. Известно, что магноны обладают когерентностью, однако экспериментально она не исследовалась. В прошлом году физики предложили метод измерения когерентности магнонов, рождающихся при когерентном ферромагнитном резонансе, на основе временных корреляций. Спиновые волны рождаются не только при ферромагитном резонансе. Например, в 2015 году физики создали электронную цепь на спиновых волнах в непроводящем магнитном материале, а ранее мы писали о том, что спиновые волны обнаружили в антиферромагнетике-изоляторе.
Михаил Перельштейн
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.