Физики измерили нутацию спина в ферромагнетиках

Европейским ученым удалось с высокой точностью экспериментально обнаружить нутацию спина в ферромагнетиках и напрямую (с помощью вынужденного резонанса) измерить ее частоту и время релаксации. Сам эффект был недавно предсказан за счет введения инерционного слагаемого в уравнение Ландау — Лифшица — Гильберта, которое, в частности, описывает процесс вынужденного наносекундного переворота спина в магнитных носителях информации. Полученные данные о спиновой динамике в ферромагнетиках не только расширяют представления ученых о фундаментальных механизмах сверхбыстрого магнетизма, но и могут привести к созданию существенно более энергоэффективных и быстрых магнитных носителей информации. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Сейчас существенная часть информации хранится в виде мельчайших магнитных битов на тонкопленочных материалах в жестких дисках. В таких битах роль нулей и единиц играет расположение магнитных моментов (спинов) атомов вещества-носителя, а запись информации выполняется за счет интенсивных и сильно локализованных магнитных полей, действующих на временных масштабах порядка наносекунд. Динамика спинов в таких процессах, в свою очередь, описывается уравнением Ландау — Лифщица — Гильберта (ЛЛГ), и до недавнего времени считалось, что в это уравнение заложена вся физика магнитной динамики, а оптимизация процессов записи информации может быть основана только на нем.

Однако в 1996 году экспериментально подтвердилось существование процессов спиновой динамики с временными масштабами в несколько пикосекунд, которые не могут быть описаны уравнением ЛЛГ, что привело к рождению нового направления в физике по изучению так называемого сверхбыстрого магнетизма. Одним из способов решить возникшее расхождение наблюдений и теории оказалось введение в уравнение ЛЛГ инерционного слагаемого, которое приводило бы к нутации спина — его частым колебаниям в окрестности своей стандартной траектории прецессии, подобно колебаниям гироскопа при попытке вывести ее из равновесия. Но для экспериментальных измерений такого явления физикам не хватало источников магнитного поля с достаточно высокой частотой.

Теперь же генерация периодического магнитного поля с частотой вплоть до терагерца стала возможна на установках по ускорению коротких пучков электронов с высоким общим зарядом, к примеру на TELBE в Центре им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф в Дрездене. Именно эта установка послужила источником излучения для работы Кумара Нираджа (Kumar Neeraj) из Стокгольмского университета, который вместе с коллегами облучал ферромагнитные образцы и наблюдал за их вынужденным резонансом по полярному магнтитооптическому эффекту Керра. Физикам и правда удалось увидеть резонанс на частоте 0,5 — 0,6 терагерц для всех образцов, с характерной для нутации зависимостью амплитуды эффекта от взаимного расположения собственного магнитного момента и внешнего высокочастотного магнитного излучения: эффект максимален когда они перпендикулярны. Также ученым удалось измерить время релаксации подобных колебаний, которое оказалось равно 10 пикосекундам.

В эксперименте обнаружился и ряд неожиданных особенностей эффекта. Так, значение частоты нутации оказалось слабо зависимым от кристаллической структуры и химического состава ферромагнитного образца, в то время как теоретические предсказания говорили о возможной сильной зависимости характера нутации спина от структуры вещества. Кроме того, сам наблюдаемый резонанс оказался существенно шире, чем ожидалось, причем тоже для всех образцов: исследователи проверили, что такой эффект — не следствие погрешностей измерений, но оставили его без объяснения. Наконец, измеренное время релаксации оказалось на порядок выше значений, косвенно измеренных в спектроскопических экспериментах по наблюдению за ферромагнитным резонансом, но авторы работы склонны считать, что их методы позволили получить более точные и реалистичные данные.

Также авторы отмечают, что причиной обнаруженных высокочастотных магнитных возбуждений не могли быть моды спиновых волн: толщина образцов для возбуждения таких резонансов была слишком велика. Все это говорит о том, что ученые и правда добились прямого экспериментального подтверждения существования нутации спина в ферромагнетиках. Хоть физикам пока не ясна природа инерционности, которая приводит к наблюдаемой нутации, полученные данные уже помогают лучше понять природу механизмов сверхбыстрого магнетизма, а также их можно использовать для создания более быстрой и энергоэффективной технологии магнитной записи информации.

Исследования спиновой динамики атомов может помочь не только улучшить эффективность существующих носителей данных, но и создавать более вместительные аналоги: недавно мы рассказывали о том, как физики нашли способ записать два бита в одном атоме. А плотность записи информации можно улучшить и с помощью микроволновых генераторов.