Когерентные колебания между фононами и магнонами
В новом отчете, опубликованном в Nature Communications Physics, Томосато Хиоки и группа ученых, занимающихся исследованием материалов и прикладной физикой из Университета Тохоку и Токийского университета в Японии, описали когерентные биения, наблюдаемые между различными видами возбуждения в твердом теле, а именно фононами — квантовая колебательно-механическая энергия и магноны — квазичастица, представляющая собой коллективное возбуждение спиновой структуры электрона.
Концепция когерентных колебаний между фононами и магнонами и магнитооптическая микроскопия с временным разрешением. (а) Схематическое изображение фононов и магнонов, (б) Схематическое изображение когерентных колебаний между фононами и магнонами. (в) Дисперсионные кривые фонона и магнона в феррит-гранате из лютеция (LuIG). (d) Увеличенный вид вокруг A на рис. 1c. Черные кривые представляют закон дисперсии гибридизованного магнон-фононного полярона, а красная и синяя пунктирные кривые представляют закон дисперсии чистых магнонов и поперечных акустических фононов соответственно. (д) Оптическая установка для магнитооптической микроскопии с временным разрешением и увеличенным временем задержки. Возбужденная динамика намагниченности регистрируется по углу поворота поляризации зондирующего лазерного импульса, индуцированного магнитооптическим эффектом Фарадея в образце. Обнаружение осуществляется камерой с зарядовой связью (ПЗС). (f) Магнитооптическое изображение, наблюдаемое через 3,5 нс после облучения импульсом накачки во внешнем магнитном поле B = 11,5 мТл, параллельном волновому вектору возбужденных магнонов. g, спектр волновых чисел полученных магнитооптических изображений, наблюдаемый через 3,5 нс после возбуждения (B = 11,5 мТл). На вставке показан увеличенный вид. Кредит:Физика связи (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
Две разные волны с одинаковой частотой и длиной волны могут быть соединены так, что их амплитуда периодически меняется, образуя явление, известное как когерентное биение. Процесс часто можно наблюдать с помощью связанного маятника, а в космическом масштабе как нейтринные осцилляции, возникающие из-за флуктуаций между разными нейтрино . Твердые тела также могут в равной степени поддерживать различные волновые возбуждения, влияющие на их тепловые и электромагнитные свойства.
В новом отчете, опубликованном в Nature Communications Physics, Томосато Хиоки и группа ученых, занимающихся исследованием материалов и прикладной физикой из Университета Тохоку и Токийского университета в Японии, описали когерентные биения, наблюдаемые между различными видами возбуждения в твердом теле, а именно фононами — квантовая колебательно-механическая энергия и магноны — квазичастица, представляющая собой коллективное возбуждение спиновой структуры электрона. Команда использовала магнитооптическую микроскопию с временным разрешением, чтобы показать, как магноны, образующиеся в соединении, постепенно исчезают, переходя в фононы, а затем через некоторое время возвращаются к форме магнонов. Период колебаний соответствовал магнонному-фононное биение. Ученые предполагают, что экспериментальные результаты проложат путь когерентному управлению магнон-фононными системами в твердых телах.
Фонон-магнонные взаимодействия в феррит-гранате из лютеция
Фононы — это колебательные волны кристаллической решетки твердого тела, ответственные за упругость и тепловые свойства твердых тел. Магноны или спиновые волны, наоборот, представляют собой волнообразное движение намагниченности, присутствующее в магнитах и отвечающее за их магнитные и тепловые свойства. Эти две частицы могут взаимодействовать внутри твердых тел через магнитоупругие и магнитостатические связи . Динамика частиц представлена на дисперсионных кривых каждой системы, чтобы показать взаимосвязь между волновым числом и частотой. Ученые зафиксировали дисперсионные кривые поперечных акустических фононов и магнонов в пленке типичного изолятора, такого как феррит-гранат из лютеция .. Такие дисперсионные кривые фононных и магнонных частиц сохраняют точку пересечения, вокруг которой может образоваться магнон-фононное гибридизованное состояние. Исследователи обнаружили, что это состояние демонстрирует чрезвычайно долгое время жизни, намного большее, чем у чистых магнонов, из-за гибридизации с фононами, которые поддерживают долгое время жизни.
Наблюдение магнон-фононного когерентного колебания. (а) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kTA в магнитном поле B = 11,5 мТл, параллельном k, где kTA относится к волновому числу точки пересечения дисперсионных соотношений поперечных акустических (TA ) фононы и магноны. Красные перевернутые треугольники указывают t = 15 нс, 20 нс и 25 нс после облучения импульсом накачки. (б) Частотный спектр мощности F~k(t) при kx = kTA. Синие закрашенные кружки представляют экспериментально полученную интенсивность спектра, а серая кривая представляет собой аппроксимирующую кривую. Перевернутый красный треугольник выделяет пики. Ошибки данных оцениваются как стандартное отклонение, которое меньше графика данных. (в) Теоретически рассчитанные дисперсионные кривые магнонных поляронов вокруг kx = kTA и ky = 0, где использованы энергия кристаллической анизотропии Kc = 73,0 [Дж ⋅ м-3], энергия одноосной анизотропии Ku = -767,5 [Дж ⋅ м-3], намагниченность насыщения Ms = 14,8 [кА ⋅ м-1], скорость LA-фононов vLA = 6,51 [км ⋅ с–1], скорость ТА-фононов vTA = 3,06 [км ⋅ с–1] и константа магнон-фононного взаимодействия b2 = 1,8 × 105 [Дж ⋅ м–3]. Черные сплошные кривые представляют собой дисперсионные кривые магнонных поляронов, а синие и красные пунктирные кривые представляют собой чистые ТА-фононы и магноны соответственно. (г) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, параллельном k, где kLA относится к волновому числу точки пересечения дисперсионных соотношений продольной акустической (LA ) фононы и магноны. (e) Частотный спектр мощности F~k(t) при kx = kLA. Черные закрашенные кружки представляют экспериментально полученную интенсивность спектра, а серая кривая представляет собой аппроксимирующую кривую. Ошибки данных оцениваются как стандартное отклонение, которое меньше графика данных. (f) Теоретически рассчитанные дисперсионные кривые магнонных поляронов вокруг kx = kLA. Серая линия и красная кривая представляют дисперсионные кривые LA-фононов и магнонов соответственно. (ж) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kTA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (h) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (i) Магнитооптические изображения, полученные с разным временем задержки. Кредит: что меньше графика данных. (f) Теоретически рассчитанные дисперсионные кривые магнонных поляронов вокруг kx = kLA. Серая линия и красная кривая представляют дисперсионные кривые LA-фононов и магнонов соответственно. (ж) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kTA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (h) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (i) Магнитооптические изображения, полученные с разным временем задержки. Кредит: что меньше графика данных. (f) Теоретически рассчитанные дисперсионные кривые магнонных поляронов вокруг kx = kLA. Серая линия и красная кривая представляют дисперсионные кривые LA-фононов и магнонов соответственно. (ж) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kTA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (h) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (i) Магнитооптические изображения, полученные с разным временем задержки. Кредит: (h) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (i) Магнитооптические изображения, полученные с разным временем задержки. Кредит: (h) Временная эволюция действительной части F~k(t) при kx = kLA в магнитном поле B = 11,5 мТл, перпендикулярном k. (i) Магнитооптические изображения, полученные с разным временем задержки. Кредит:Физика связи (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
Физики подтвердили увеличенный срок службы лютециевого феррита-граната при измерении спин-тепловой конверсии даже при комнатной температуре. Исследователи рассчитывают одновременно наблюдать когерентную суперпозицию, которая формирует соответствующие колебания между фононами и магнонами. В этой работе Хиоки и др. описали наблюдение когерентных биений между двумя фононами и магнонами в феррит-гранате из лютеция. Команда использовала магнитооптическую микроскопию с временным разрешением и измерила динамику намагниченности. Они обнаружили когерентные биения длительностью до десятков наносекунд и экспериментально подтвердили сильную связь между магнонами и фононами в голой пленке феррит-граната из лютеция, сокращенно LUIG.
Экспериментальная установка
Хиоки и др. исследовали колебания твердых тел, разработав магнитооптический микроскоп с временным разрешением. Во время экспериментов они использовали тонкую пленку LUIG толщиной 1,8 мкм с большими магнитооптическими эффектами и малым затуханием намагниченности. Команда возбудила динамику намагниченности, сфокусировав импульсный лазерный луч с длиной волны 800 нм в образец, что соответствовало почти половине энергии запрещенной зоны LUIG. Накачка возбуждала спиновую волну или магноны за счет фотоиндуцированного размагничивания и фотоиндуцированного расширения. Ученые выборочно возбудили магнон перпендикулярно вертикальной линии, используя интерференцию Гюйгенса-Френеля. После этого они использовали еще один слабый световой импульс, известный как зондирующий импульс на образце с длиной волны 630 нм, и измерили пространственное распределение магнитооптического фарадеевского вращения зондирующего импульса, прошедшего через образец с помощью камеры . Команда определила частоту магнон-фононного промежутка в образце во время экспериментов.
Волновое число и полевая зависимость магнон-фононных когерентных колебаний. (а) Частотный спектр Fk(ω), наблюдаемый при B = 11,5 мТл в районе пересечения кривых дисперсии магнонов и поперечных акустических (ТА) фононов. (б) Сравнение экспериментально полученной щели между верхней и нижней ветвями спектра при B = 11,5 мТл и теоретическим расчетом частоты щели. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение. (в) Частотный спектр Fk(ω), наблюдаемый при B = 13,0 мТл в районе пересечения дисперсионных кривых магнонов и ТА-фононов. (г) Сравнение экспериментально полученной щели между верхней и нижней ветвями частотного спектра при B = 13,0 мТл и теоретическим расчетом частоты щели. Авторы и права: Физика коммуникаций (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
Когерентные колебания между фононами и магнонами
Команда получила угол поворота поляризации после облучения импульсом накачки, когда вблизи фокуса импульса накачки появлялись вертикальные волновые узоры, демонстрирующие магнонное возбуждение устройства. Они подтвердили, что вращение поляризации связано с магнитооптическим эффектом Фарадея . Результаты показали развитие магнонных поляронов на пересечении дисперсионных кривых магнонов и фононов после облучения импульсом накачки. Хиоки и др. непосредственно измерили чистые магноны с помощью микроскопии, чтобы показать периодически колеблющийся сигнал как функцию времени с частотой магнонов.
Затем они измерили магнитооптическое вращение Фарадея и показали исчезновение сигнала, когда магноны превращаются в фононы. Наблюдаемые осцилляции подразумевают периодические биения между магнонами и фононами во временной области. Команда также продемонстрировала когерентные колебания биений в реальном пространстве посредством своевременного изменения волновой картины, возбуждаемой импульсом накачки. Обсуждались спектры возбуждения магнонов и частота когерентных колебаний, а также угловая частота на пересечении кривых распределения магнонов и фононов. Результаты показали хорошее согласие с теоретическими расчетами.
Подбор параметров когерентных колебаний. (а) Экспериментально полученная временная эволюция |F~k(t)|2 при B = 11,5 мТл. (б) Расчетная временная эволюция амплитуды магнонов |a~k(t)|2. (c) Временная эволюция |F~k(t)|2 при различных волновых числах. Серые кривые представляют собой подгоночные кривые согласно уравнению. (3) описано в исследовании. Ошибки данных оцениваются как стандартное отклонение, которое меньше графика данных. Авторы и права: Физика коммуникаций (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
Численный расчет интенсивности магнонного возбуждения. (а) Тепловая карта G (r). σx и σy задаются для реализации плосковолнового возбуждения магнонного полярона (σx = 40 нм, σy = 40 нм). (б) Эволюция интенсивности возбуждения f(t) во времени. (c) Тепловая карта интенсивности спектра, рассчитанная по уравнению. (ts = 1,5 нс, te = 1,6 нс, σt = 0,3 нс). Интенсивность спектра достигает пика при пересечении дисперсии между поперечным акустическим (ТА) фононом и магноном, что воспроизводит экспериментальные результаты. Авторы и права: Физика коммуникаций (2022 г.). DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
Перспектива
Таким образом, Томосато Хиоки и его коллеги численно измерили временную эволюцию амплитуды магнонов, вычислив преобразование Фурье спектральной амплитуды магнонов. Команда считала, что связанная динамика между поперечными акустическими фононами и магнонами имеет отношение к наблюдаемым колебаниям. Чтобы понять результаты эксперимента, Хиоки и др. приписали большую кооперативность небольшому собственному магнитному демпфированию и высокому коэффициенту качества фононов в кристаллах граната. Ученые дополнительно усилили магнон-фононную связь в пленке, изготовив фононные или магнонные кристаллы из плоской пленки, чтобы помочь контролировать магноны в магнонных схемах и устройствах. Представленный магнон- фононныйкогерентные колебания обеспечивают платформу для изучения динамики связанных систем, для регулирования магнитных и упругих свойств различных магнитных материалов.
