Частоту магнонов увеличили в 60 раз

Немецкие исследователи продемонстрировали генерацию высших гармоник для спиновых волн в магнитомягком ферромагнетике. Им удалось увидеть умножение частоты вплоть до 60-й гармоники. В будущем это поможет объединить традиционную электронику с устройствами спинтроники и магноники. Работа опубликована в Science.

Если сложить синусоиду с любой другой функцией той же частоты, период результирующего колебания не изменится. А вот если ее умножить даже на саму себя, это приведет к удвоению частоты. Этот универсальный принцип лежит в основе генерации высших гармоник в самых различных областях. Например, для реализации умножителя частоты в электронике используются нелинейные элементы, а в оптике — нелинейные среды.

В спиновой электронике (спинтронике), в которой сигнал передается не током зарядов, а током спинов, устройства часто работают в гигагерцовом диапазоне частот. Это затрудняет их объединение с электроникой мегагерцового диапазона, поэтому актуальным стал поиск механизмов умножения частот спиновых волн (магнонов). На сегодняшний день физики уже опробовали несколько таких механизмов, но все они ограничены возбуждением всего нескольких высших гармоник.

Команда немецких физиков под руководством Георга Вольтерсдорфа (Georg Woltersdorf) из Галле-Виттенбергского университета имени Мартина Лютера продемонстрировала умножение частоты в магнитомягком ферромагнетике при очень малых магнитных полях. В дополнении к предсказанным теорией спиновым волнам, колеблющимся с частотой в полтора раза большей, чем частота возбуждения, они увидели целый набор умноженных частот вплоть до 60-й гармоники. Эффект возник из-за динамического, периодического и синхронного переключения магнитной текстуры образца.

Чтобы его увидеть, физики располагали слой Ni₈₀Fe₂₀ на поверхности золотого копланарного волновода. Поверх слоя они высаживали наноалмазы, содержащие азотно-замещенные вакансии (NV-центры). Эти дефекты выступали в роли магнетометров. Принцип их работы основан на эффекте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), который возникает у NV-центров в окрестности 2,87 гигагерц. Для его детектирования авторы использовали сигнал фотолюминесценции центров.

Физики следили за контрастностью этого сигнала, меняя частоту подаваемого в волновод радиочастотного поля и магнитное поле, которое в течение всего эксперимента не превышало нескольких миллитесл. Помимо характерного треугольного сигнала ЭПР на 2,87 гигагерцах, они наблюдали резонанс при частоте, равной 2/3 основной частоты. Эта особенность связана с нелинейными спин-волновыми возбуждениями при малых полях и уже наблюдалась ранее. Однако наиболее интересным оказалось то, что NV-центры реагировали на частоты, кратно меньшие основному резонансу. Максимальная кратность, которую зафиксировали исследователи, оказалась равна 60.

Это явление авторы трактовали следующим образом. При облучении образца при малых магнитных полях, в нем возбуждался целый набор стоячих спиновых волн, спектр которых представлял собой гребенку, начинающуюся с частоты накачки. Это означает, что каждая компонента должна создавать свою собственную модуляцию намагниченности. Физики убедились в этом, визуализируя соответствующие паттерны с помощью магнитооптической керровской микроскопии.

Ученые выяснили, что причина такого сильного возбуждения высших гармоник заключается в магнитной структуре пленки. Она изначально имеет волнообразный характер, вызванный взаимодействием между неоднородностью структуры пленки и размагничивающими полями. Это приводит к тому, что поперечная компонента намагниченности в образце испытывает постоянные скачки, которые и служат источником целого спектра спиновых волн. Проведенная симуляция не только показала совпадение теории и эксперимента, но и продемонстрировала, что эффект не зависит от деталей магнитной текстуры, а сама гребенка простирается гораздо дальше возможностей экспериментальной установки вплоть до 25 гигагерц.

Ранее мы уже рассказывали, как нелинейность помогла терагерцовому излучению превратить магноны в фононы.

Марат Хамадеев