Фізика
Фізика

Фізикам вдалося покерувати магнонами в антиферомагнетику

Кванти спінових хвиль, магнони, ведуть до утворення нової області електроніки під назвою магноніка, замінюючи собою електрони як носіїв інформації. Групі фізиків з Нідерландів, Італії, Великобританії та України вдалося поширити когерентні спінові хвилі в антиферомагнетику за допомогою ультракоротких лазерних імпульсів на терагерцових частотах. У статті, опублікованій у Nature Physics, вчені зазначають, що продемонстрований підхід дасть змогу зберігати і зчитувати інформацію набагато швидше та без обмежень, що накладаються використанням для магноніки феромагнетиків.

Ілюстрація згенерованих лазером спінових хвиль. Nature Physics, 2021

Ілюстрація згенерованих лазером спінових хвиль. Nature Physics, 2021

Що таке магноніка?

Попит на невеликі та при цьому потужні обчислювальні пристрої росте разом із обмеженнями масштабування звичної нам електроніки, тому за більш ефективними технологіями вчені звертаються до нових галузей наноелектроніки, а зокрема - магноніки. Вона керується магнонами, які здатні замінити електрони спінами частинок. Історія вивчення колективних спінових збуджень у магнітовпорядкованих матеріалах, так званих спінових хвиль і пов'язаних з ними квазічастинок магнонів, налічує вже більше 60 років. Втім, довгий час магнони були лише зручним для математиків прийомом, яким було зручно описувати спонтанні намагнічування феромагнетиків - матеріалів, що здатні намагнітитися за невеликих температур і без зовнішнього магнітного поля, але втрачають свої властивості за критичної температури (точка Кюрі). Так перевернений спін рухається кристалом, де всі інші спіни дивляться в протилежну сторону, та змушує їх перевертатися у свою, утворюючи своєрідну хвилю. Ця хвиля, що перевертає спіни, і є магноном, який зменшує кількість правильно розташованих спінів і тим самим поступово знижує намагніченість речовини, поки та остаточно не зникне за критичної температури. З часом фізики навчилися створювати магнони і керувати їхнім станом, а з цим і з'явилася ідея використовувати їх для обробки, зберігання та передачі інформації. У магнонних приладах магнони стануть аналогами електронів, але, на відміну від останніх, підкорятимуться статистиці Бозе - Ейнштейна і, можливо, зможуть передавати інформацію без втрати енергії. Так магноніка стала у ряд галузей, покликаних зробити технології ефективнішими, привертаючи увагу дослідників ідеєю створення нового покоління функціональних пристроїв, керованих магнітним полем, в яких будуть використовуватися спінові хвилі.

Схематичне зображення того, як спіни поляризуються в одному напрямку (а), як ними проходить спінова хвиля (б) та стан із одним перевернутим спіном (в). Kouki Nakata / Journal of Physics D: Applied Physics

Схематичне зображення того, як спіни поляризуються в одному напрямку (а), як ними проходить спінова хвиля (б) та стан із одним перевернутим спіном (в). Kouki Nakata / Journal of Physics D: Applied Physics

Навіщо вченим антиферомагнетики?

Очевидно, що магнони як квазічастинки характерні саме для магнітних речовин. Залежно від поведінки у присутності магнітного поля майже всі речовини умовно можна розділити на чотири класи: діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики і антиферомагнетики. Кількісною мірою такої класифікації є магнітна проникність. Її значення і у феромагнетиків і у антиферомагнетиків складає більше одиниці, однак орієнтація магнітних моментів у антиферомагнетику майже повністю компенсує створюване атомами в кристалі магнітне поле. Таким чином перед вами антиферомагнетик, якщо спіни орієнтуються назустріч один одному, та феромагнетик, у якому вони співнаправлені. Перші через такий «розклад» погано намагнічуються, а другим співнаправлена орієнтація магнітних моментів, навпаки, допомагає.

Орієнтація спінів у антиферомагнетику. Michael Schmid / Wikimedia Commons

Орієнтація спінів у антиферомагнетику. Michael Schmid / Wikimedia Commons


Орієнтація спінів у феромагнетику. Michael Schmid / Wikimedia Commons

Орієнтація спінів у феромагнетику. Michael Schmid / Wikimedia Commons

І здавалося б, для магноніки краще підійдуть феромагнетики, в яких легше маніпулювати магнітним порядком. Спінові хвилі можна створити, наприклад, за допомогою резонансу із зовнішнім змінним магнітним полем або за рахунок нагріву матеріалу. Втім, важливо пам'ятати, що антиферомагнітні матеріали «всередині» все ж магнітні, і напрямок їхніх упорядкованих спінів змінюється між окремими атомними вузлами. А отже якби інформація зберігалася б у магнонах антиферомагнетиків, вона була б нечутлива до зовнішніх магнітних полів, і магнітно не впливала б на своїх сусідів, незалежно від того, наскільки щільно елементи можуть бути розташовані в пристрої. Причому це можуть бути ізолятори, метали, напівметали, напівпровідники і навіть надпровідники, тоді як феромагнетики - це переважно метали, хоч і дуже поширені. Більш того, завдяки співнаправленій структурі спінового впорядкування, частота і швидкість поширення спінових хвиль в антиферомагнетику значно вища, ніж у аналогічному феромагнетику. Через це антиферомагнетики стали перспективною платформою для швидкої передачі інформації без розсіювання, однак залишається невирішеним питання, як виявляти та керувати магнонами у антиферомагнетиках. Цим і зайнялася група дослідників з Нідерландів, Італії, Великобританії та України за участі Бориса Іванова з Інституту магнетизму НАН та МОН України.

Що вдалося зробити в експерименті?

Звичайні методи збудження лінійних спінових хвиль зазвичай послуговуються змінними магнітними полями, однак спінові хвилі у антиферомагнетиках формуються у терагерцовому діапазоні, що робить традиційні джерела формування полів (наприклад, мікросмужкові лінії чи копланарні хвилеводи) непрактичними для використання в антиферомагнітних середовищах. Тож досі вдавалося експериментально реалізувати лише некогерентні, тобто неузгоджені спінові хвилі. Також, хоч властивості антиферомагнетиків ввижаються придатними для магноніки, непрямі спостереження перенесення інформації магнонами показують, що вона обмежена лише кількома нанометрами. Розробка надшвидких нанорозмірних магнонних логічних схем вимагає нових інструментів і матеріалів для генерації когерентних спінових хвиль на якомога вищих частотах та на якомога коротших довжинах хвиль, однак досі про появу короткохвильових когерентних магнонів у антиферомагнетиках не повідомлялося. У своїй роботі фізикам вдалося змусити магнони когерентно поширюватися у ортофериті диспрозію (DyFeO3) з використанням ультракоротких імпульсів світла на детектованих довжинах хвиль до 125 нанометрів та швидкостями до 13 кілометрів на секунду.

Ортоферит диспрозію являє собою антиферомагнітний ізолятор з температурою Нееля у 645 кельвінів, що демонструє одну з найсильніших спостережуваних взаємодій між спінами та лазерними імпульсами. В експериментах вчені використали пластину зразка товщиною у 60 мікрометрів, яку збуджували лазерними імпульсами тривалістю у сто фемтосекунд, енергія фотонів яких налаштовується в спектральному діапазоні 1,5 - 3,1 електронвольта. У цьому діапазоні глибина проникнення світла зменшується (від 300 до 50 нанометрів) і дає змогу визначити довжини хвиль збуджених магнонів. Динаміку поширених короткохвильових когерентних спінових хвиль фізики дослідили одночасно в двох геометріях: використовуючи ефект Фарадея і магнітооптичний ефект Керра з фемтосекундною роздільною здатністю. Ефект Фарадея «бачить» довгохвильові магнони, а короткохвильові спінові збудження можливо виявити лише за допомогою ефекту Керра.

Схематична ілюстрація генерації та виявлення розповсюджуваних антиферомагнітних спінових хвиль після збудження лазером. J.R. Hortensius et al. / Nature Physics, 2021

Схематична ілюстрація генерації та виявлення розповсюджуваних антиферомагнітних спінових хвиль після збудження лазером. J.R. Hortensius et al. / Nature Physics, 2021

Продемонстроване тут джерело когерентних короткохвильових спінових носіїв інформації відкриває нові перспективи для магноніки на основі антиферомагнетиків у терагерцовому діапазоні, а самі по собі фазово-когерентні перенесення магнонів у антиферомагнетиках також цікаві і з точки зору фундаментальної фізики, адже можуть стати джерелами виникнення таких екзотичних явищ, як магнітні солітони, конденсати Бозе-Ейнштейна і спінова надпровідність.

спінами
власний момент імпульсу частинки, задає вісь її обертання
температурою Нееля
критична температура для втрати властивостей, аналогічна точці Кюрі у феромагнетиках