Магноны возбудили с помощью переменного тока

Физики индуцировали магноны с помощью переменного тока и пронаблюдали спиновую динамику благодаря рентгеновской микроскопии временного разрешения. Оказалось, что причиной возбуждения магнонов стало поле Эрстеда, а сам новый метод спин-волновой эмиссии почти на три порядка эффективнее по сравнению с использованием микроволновых антенн. Статья опубликована в Science Advances.

Если взять какой-нибудь магнитный материал и пустить по нему спиновую волну (сделать так, чтобы отдельные взаимодействующие спины периодически меняли свое направление), то элементарный квант такой волны будет вести себя подобно частице. Такая квазичастица, которую физики прозвали магноном, подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна и взаимодействует с частицами других видов.

Магноны интересны в первую очередь в качестве потенциальной замены технологии CMOS, на которой базируется современная компьютерная техника. Ученые сегодня активно проектируют магнонные устройства, и на данный момент главная задача для исследователей это эффективное возбуждение магнонов и управление ими. Обычно для эмиссии спиновых когерентных волн используют микроволновые антенны, изготавливаемые литографическим методом, однако этот метод обладает ограниченной энергетической эффективностью для нанометровых волн.

Сабри Коралтан (Sabri Koraltan) из Венского университета и его коллеги из Австрии и Германии возбудили магноны в синтетическом ферримагнетике благодаря переменному току гигагерцовой частоты, а для измерения динамики результирующих спиновых волн они использовали рентгеновскую микроскопию.

С этой целью физики исследовали образец в форме диска диаметром девять микрометров, который они изготовили из трех слоев — кобальта (толщина 47,8 нанометра), рутения (толщина 0,8 нанометра) и Ni₈₁Fe₁₉ (толщина 42,8 нанометра). К образцу подсоединили два контакта из тонкой медной пленки для подачи переменного тока частотой 1,11 гигагерца и индуцировали спиновые волны.

Есть две основные причины, по которым магноны образовались в образце. Во-первых, когда ток течет вдоль заданного направления, он генерирует поле Эрстеда внутри проводника, которое оказывается аксиально-симметричным, что приводит к образованию спиновых вихрей в материале. Во-вторых, электроны, которые в процессе приобретают спиновую поляризацию, оказывают непосредственное влияние на намагниченность вещества — так называемая передача спинового момента (spin-transfer torque — STT). Чтобы, в том числе, выяснить точную причину индукции спиновых волн при пропускании переменного тока через образец, исследователи использовали сканирующую просвечивающую рентгеновскую микроскопию (STXM) с временным разрешением.

На полученных в ходе эксперимента изображениях физики увидели четкую картину спиновых волн со средней длиной волны 307 ± 10 нанометров. Когда ученые рассмотрели последовательность нескольких снимков, они заметили, что эти волны в основном испускались из слегка изогнутых доменных стенок и ядра вихря в центре образца. Также физики провели моделирование, численно решив уравнение Ландау — Лифшица — Гильберта, и выяснили, что причиной возникновения спиновых волн может быть и одно лишь поле Эрстеда без учета передачи спинового момента. Затем исследователи сравнили эффективность эмиссии спиновых волн полем Эрстеда и с помощью микроволновых антенн. Оказалось, что амплитуда спиновых волн, которые возбудили с помощью поля Эрстеда, в 30 раз выше амплитуды, чем у тех, что индуцировали микроволновыми антеннами. Это почти на три порядка эффективнее с энергетической точки зрения.

Авторы работы отметили, что их способ эмиссии спиновых волн в магнитных материалах должен стать следующим шагом к совершенствованию устройств на основе магнонных технологий. При этом физики подчеркнули, что необходимо подробнее исследовать механизм возбуждения магнонов под действием поля Эрстеда.

Ранее мы уже писали о том, как наклонный спиновый порядок упростил конверсию магнонов и заставил их двигаться.