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