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
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.
