Физики поймали магноны за превращением в фононы
Японские физики напрямую увидели биения, возникающие при совпадении частот и волновых векторов сильно связанных магнонных и фононных мод. С помощью магнито-оптической микроскопии они узнали, что превращения магнонов в фононы и обратно в лютеций-железном гранате происходят за десятки наносекунд. Исследование опубликовано в Communications Physics.
Если наложить два периодических колебания со слегка отличающимися частотами, то результатом станут биения. Это такие колебания, амплитуда которых медленно убывает и возрастает с частотой, равной полуразности исходных частот. Их можно наблюдать, если связать два одинаковых маятника. В такой системе колебания пары в фазе и в противофазе (собственные колебания) обладают немного различающимися частотами. Из-за этого при произвольной разности фаз энергия будет периодически перетекать от одного маятника к другому, а колебания каждого маятника по отдельности будут представлять собой биения.
Этот механизм универсален для всех физических систем, в которых можно встретить колебания или волны. Квантовая физика не стала исключением, правда в микромире к волнам добавляется требование когерентности. Примерами таких квантовых колебаний можно считать осцилляции Раби и даже нейтринные осцилляции, то есть превращения нейтрино разных типов друг в друга из-за разницы их масс.
Складываться могут не только волновые функции и моды одного типа возбуждений, но и совершенно различные по своей природе колебания. Физики часто называют этот процесс гибридизацией, а результат их сложения — гибридными модами. Самый распространенный пример такой гибридизации — это поляритоны, то есть квазичастицы, соответствующие связи света с какими-либо возбуждениями в среде: звуком, зарядовыми волнами (плазмонами), экситонами и так далее.
Но связываться может не только свет. Физики знают, что на это способны еще волны колебаний решетки (фононы) и спиновые волны (магноны). Такие гибридные квазичастицы получили название магнонных поляронов. Сейчас их довольно активно исследуют, например, стало известно, что время их жизни может быть много больше, чем у чистых магнонов. Тем не менее, никто еще явно не наблюдал фонон-магнонных биений, то есть периодической перекачки энергии из одного типа возбуждения в другой.
Это удалось сделать группе японских физиков под руководством Эйдзи Сайто (Eiji Saitoh) из университета Тохоку. Для этого они возбуждали в пленке лютеций-железного граната Lu2Bi1Fe3,4Ga1,6O12, известного своим сильным магнито-оптическим эффектом и долгоживущей намагниченностью, спиновые волны с помощью лазерного импульса. Наблюдая за магнонами с помощью магнито-оптического микроскопа с временным разрешением, они убедились, что энергия спиновых волн периодически переходит именно в фононные возбуждения.
Импульсы накачки имели длину волны 800 нанометров, длительность 100 фемтосекунд и среднюю энергию равную одному микроджоулю. Они были сфокусированы на пленку толщиной 1,8 микрометров, находящейся в слабом магнитном поле, в виде вертикальной линии. Через некоторое варьируемое время физики направляли на образец зондирующие импульсы с длиной волны 630 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд и энергией 50 наноджоулей. Они измеряли пространственное распределение угла, на который повернулась плоскость поляризации зондирующего луча под действием эффекта Фарадея. Это вращение в каждой точке образца характеризует локальную амплитуду прецессии намагниченности, спроецированную вдоль направления распространения зондирующего импульса. Меняя задержку между импульсами, авторы имели возможность наблюдать распространение магнонных возбуждений в динамике.
Изображения, получаемые в каждый момент времени, отражали сложный волновой характер намагниченности. Чтобы разобраться в нем, физики делали пространственное Фурье-преобразование снимков. На получавшихся спектрах выделялись два ярких пятна, соответствующих волновым векторам продольной и поперечной ветвей акустических фононов.
Временная развертка позволила выявить зависимость этих компонент от времени. Для случая, когда магнитное поле было сонаправлено распространению волны, физики увидели характерные биения для величины волнового вектора, соответствовавшего поперечным фононам. При этом амплитуда второго пятна затухала практически монотонно.
Такое поведение согласуется с теорией магнон-фононного взаимодействия. Согласно ей же биения должны исчезнуть в обоих случаях, если магнитное поле будет ориентированно перпендикулярно волновому вектору, что также увидели авторы. Вычисление временного Фурье преобразования позволило авторам вычислить частотные компоненты и построить дисперсионные соотношения магнонных поляронов. В них явно прослеживалось избегание пересечения дисперсионных кривых, характерное для гибридизации мод. Сравнение теории и эксперимента позволило измерить параметры магнон-фононной связи, а именно силу связи и времена жизни соответствующих возбуждений.
В проведенном эксперименте превращение магнонов в фононы происходило при равных или близких частотах. Тем не менее, такое возможно и тогда, когда частоты отличаются. Недавно российские и нидерландские физики показали, что для этого разницу резонансов можно восполнить терагерцовым излучением.
Марат Хамадеев
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».
