Схематическая иллюстрация экспериментальной установки и спиновой системы.
Фото: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43318-8

Исследователи из Университета Констанца открыли новый тип сверхбыстрого магнитного переключения, исследуя флуктуации, которые обычно мешают экспериментам в виде шума.

Шум на радио при плохом приеме — типичный пример того, как флуктуации маскируют физический сигнал. Фактически, такие помехи или шум возникают при каждом физическом измерении в дополнение к реальному сигналу.

«Даже в самом уединенном месте во Вселенной, где вообще ничего не должно быть, все еще существуют колебания электромагнитного поля», — говорит физик Ульрих Новак.

В Центре совместных исследований (CRC) 1432 «Флуктуации и нелинейности в классической и квантовой материи за пределами равновесия» при Университете Констанца исследователи рассматривают этот вездесущий шум не как тревожный фактор, который необходимо устранить, а как источник информации, которая говорит нам кое-что о сигнале.

Никакого магнитного эффекта, но колебания

В настоящее время этот подход оказался успешным при исследовании антиферромагнетиков. Антиферромагнетики — это магнитные материалы, в которых намагниченность нескольких подрешеток компенсируют друг друга. Тем не менее, антиферромагнитные изоляторы считаются перспективными для создания энергоэффективных компонентов в сфере информационных технологий. Поскольку снаружи у них практически нет магнитных полей, их очень сложно охарактеризовать физически. Тем не менее, антиферромагнетики окружены магнитными флуктуациями, которые могут многое рассказать нам об этом слабомагнитном материале.

В этом духе группы двух материаловедов Ульриха Новака и Себастьяна Генненвайна проанализировали флуктуации антиферромагнитных материалов в контексте CRC. Решающим фактором в их теоретическом и экспериментальном исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Communications, стал конкретный диапазон частот.

«Мы измеряем очень быстрые флуктуации и разработали метод, с помощью которого флуктуации все еще можно обнаружить в ультракоротком масштабе времени — фемтосекундах», — говорит физик-экспериментатор Генненвайн. Фемтосекунда – это одна миллионная миллиардной доли секунды.

Новый экспериментальный подход для сверхбыстрых временных масштабов

В более медленных временных масштабах можно было бы использовать достаточно быструю электронику, чтобы измерить эти флуктуации. В сверхбыстрых временных масштабах это больше не работает, поэтому пришлось разработать новый экспериментальный подход. Он основан на идее исследовательской группы Альфреда Лейтенсторфера, который также является членом Центра совместных исследований. Используя лазерную технологию, исследователи используют последовательности импульсов или пары импульсов, чтобы получить информацию о флуктуациях.

Первоначально этот подход к измерениям был разработан для исследования квантовых флуктуаций, а теперь распространен на флуктуации в магнитных системах. Такаюки Курихара из Токийского университета сыграл ключевую роль в этом развитии в качестве третьего партнера по сотрудничеству. С 2018 по 2020 год он был членом исследовательской группы Leitenstorfer и Zukunftskolleg в Университете Констанца.

Обнаружение флуктуаций с помощью ультракоротких световых импульсов

В эксперименте два сверхкоротких световых импульса пропускаются через магнит с задержкой по времени, проверяя магнитные свойства во время прохождения каждого импульса соответственно. Затем световые импульсы проверяются на сходство с помощью сложной электроники. Первый импульс служит эталоном, второй содержит информацию о том, насколько изменился антиферромагнетик за время между первым и вторым импульсом. Различные результаты измерений в два момента времени подтверждают колебания. Исследовательская группа Новака также смоделировала эксперимент с помощью тщательного компьютерного моделирования, чтобы лучше понять его результаты.

Одним из неожиданных результатов стало открытие так называемого телеграфного шума в сверхкоротких временных масштабах. Это означает, что существует не только несортированный шум, но и флуктуации, при которых система переключается между двумя четко определенными состояниями. Такое быстрое, чисто случайное переключение никогда раньше не наблюдалось и может быть интересно для таких приложений, как генераторы случайных чисел. В любом случае новые методологические возможности анализа флуктуаций на сверхкоротких временных масштабах открывают большой потенциал для дальнейших открытий в области функциональных материалов.