Терагерцовое излучение превратило магноны в фононы

Evgeny Mashkovich et al. / Science, 2021

Российские и нидерландские физики подробно исследовали магнон-фононную связь в кристалле дифторида кобальта, усиленную терагерцовым излучением. Они показали, что в резонансных условиях накачка фононных мод излучением опосредована магнонными возбуждениями и поэтому происходит нелинейно. Исследование опубликовано в Science.

Концепция квазичастиц — это одна из самых плодотворных идей, придуманных в физике. Без нее невозможно представить изучение объектов, состоящих из большого числа атомов, в первую очередь конденсированных сред. Квазичастицы не только позволили углубить наше понимание процессов, происходящих в них, но и послужили драйвером развития теоретической физики как таковой, включая физику элементарных частиц. Подробнее о том, какие бывают квазичастицы, вы можете прочитать в материале «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“».

Чаще всего квазичастицы появляются в виде каких-либо счетных элементарных возбуждений в средах, находящихся в основном состоянии, обычно упорядоченном. Примером могут служить фононы, которые описывают распространение по кристаллической решетке порций колебательных возмущений. Похожим образом в физике появились магноны — возмущения спинового порядка. Разные типы возбуждений могут вступать во взаимодействие, причем его интенсивность зависит от множества факторов. В частности, физики исследуют влияние света терагерцового диапазона на возможность управления магнон-фононной связью, однако характер образующейся нелинейности пока плохо изучен.

Алексей Кимель (Alexey Kimel) из Университета Радбауда с коллегами из МФТИ, Института общей физики имени Прохорова РАН и Физико-технического института имени Иоффе РАН подробнее изучили процесс перетекания энергии из спиновых в решеточные степени свободы, индуцированного терагерцовым излучением, на примере дифторида кобальта. Этот материал известен тем, что ниже температуры Нееля он проявляет коллинеарный антиферромагнетизм с сильным пьезомагнитным эффектом, что делает его подходящим кандидатом для исследования магнон-фононной связи. Проблема, однако, в том, что существует зазор между частотами обоих резонансов, равных 1,14 и 1,94 терагерца соответственно. Именно эту разницу и призвано восполнить электромагнитное излучение.

Для этого физики направляли широкополосные терагерцовые импульсы накачки вдоль оси намагниченности обеих подрешеток кристалла. И магнитные, и колебательные возбуждения создавали в решетке круговое и линейное двулучепреломление, которое авторы считывали с помощью инфракрасного зондирующего импульса. Зависимость поворота поляризации зондирующего излучения от времени носила осцилляционный характер ниже температуры Нееля. Спектр этих осцилляций состоял из магнонных и фотонных мод, а амплитуда соответствующих компонент несла информацию о степени их возбуждения.

Анализируя зависимость амплитуд от мощности импульса, выраженной через магнитное поле, физики заметили, что спиновые колебания усиливаются по линейному закону, в то время как колебания решетки — по квадратичному. Это свидетельствует о нелинейном, двухфотонном характере рождения фононов. Сравнение экспериментальных зависимостей с модельными вычислениями показало, что этот процесс происходит через промежуточное рождение магнонов.

Чтобы лучше в этом убедиться, ученые провели дополнительную серию экспериментов, в которых в накачке участвовало уже два терагерцовых импульса с переменной задержкой. Авторы следили за зависимостью нелинейного вклада в амплитуды от времени задержки между импульсами накачки, а также между зондирующим импульсом. Для его вычисления они вычитали из сигнала вклады, при которых оба импульса поочередно заглушались. Производя Фурье-преобразование получившейся двумерной зависимости, физики зафиксировали четкий резонанс в точке с координатами, равными частотам магнонных и фононных возбуждений, соответственно.

Магноника — это сравнительно молодой раздел квантовой электроники, в котором уже достигнуты существенные результаты. Мы уже рассказывали, как физики обнаружили магноны в ферромагнетиках при температурах выше точки Кюри, и как они предложили измерять их когерентность с помощью кросс-корреляционного интерферометра.

Марат Хамадеев


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.