Excitación de Magnon. Crédito: Daria Sokol / Oficina de prensa de MIPT
Los científicos excitan magnones en nanoestructuras con pulsos de láser
Los físicos del MIPT y el Russian Quantum Center, junto con colegas de la Universidad Estatal de Saratov y la Universidad Tecnológica de Michigan, han demostrado nuevos métodos para controlar las ondas de giro en películas de granate de hierro y bismuto nanoestructuradas a través de pulsos cortos de láser. Presentado en Nano letras, la solución tiene potencial para aplicaciones en transferencia de información energéticamente eficiente y basada en espines computación cuántica.
El giro de una partícula es su momento angular intrínseco, que siempre tiene una dirección. En materiales magnetizados, todos los giros apuntan en una dirección. Una alteración local de este orden magnético se acompaña de la propagación de ondas de espín, cuyos cuantos se conocen como magnones.
A diferencia de la corriente eléctrica, la propagación de ondas de espín no implica una transferencia de materia. Como resultado, el uso de magnones en lugar de electrones para transmitir información conduce a pérdidas térmicas mucho menores. Los datos pueden codificarse en la fase o amplitud de una onda de espín y procesarse mediante interferencias de onda o efectos no lineales.
Los componentes lógicos simples basados en magnones ya están disponibles como dispositivos de muestra. Sin embargo, uno de los desafíos de implementar esta nueva tecnología es la necesidad de controlar ciertos parámetros de ondas de giro. En muchos aspectos, excitar magnones ópticamente es más conveniente que por otros medios, con una de las ventajas presentadas en el reciente artículo de Nano Letters.
Los investigadores excitaron ondas de giro en un granate de hierro bismuto nanoestructurado. Incluso sin nanopatrones, ese material tiene propiedades optomagnéticas únicas. Se caracteriza por una baja atenuación magnética, lo que permite que los magnones se propaguen a grandes distancias incluso a temperatura ambiente. También es muy transparente ópticamente en el rango del infrarrojo cercano y tiene una alta constante Verdet.
La película utilizada en el estudio tenía una estructura elaborada: una capa inferior lisa con una rejilla unidimensional formada en la parte superior, con un período de 450 nanómetros (fig. 1). Esta geometría permite la excitación de magnones con una distribución de giro muy específica, lo que no es posible para una película sin modificar.
Para excitar la precesión de magnetización, el equipo utilizó pulsos de láser de bomba polarizados linealmente, cuyas características afectaron la dinámica de espín y el tipo de ondas de espín generadas. Es importante destacar que la excitación de la onda se debió a efectos optomagnéticos en lugar de térmicos.
Representación esquemática de la excitación de la onda de espín mediante pulsos ópticos. El pulso de la bomba láser genera magnones al interrumpir localmente el orden de los giros, que se muestran como flechas violetas, en granate de hierro bismuto (BiIG). A continuación, se utiliza un pulso de sonda para recuperar información sobre los magnones excitados. GGG denota granate galio gadolinio, que sirve como sustrato. Crédito: Alexander Chernov et al./Nano Letters
Los investigadores confiaron en pulsos de sonda de 250 femtosegundos para rastrear el estado de la muestra y extraer las características de la onda de giro. Se puede dirigir un pulso de sonda a cualquier punto de la muestra con un retraso deseado en relación con el pulso de la bomba. Esto proporciona información sobre la dinámica de magnetización en un punto dado, que se puede procesar para determinar la frecuencia espectral, el tipo y otros parámetros de la onda de espín.
A diferencia de los métodos disponibles anteriormente, el nuevo enfoque permite controlar la onda generada variando varios parámetros del pulso láser que la excita. Además de eso, la geometría de la película nanoestructurada permite que el centro de excitación se localice en un punto de unos 10 nanómetros de tamaño. El nanopatrón también hace posible generar múltiples tipos distintos de ondas de giro. El ángulo de incidencia, la longitud de onda y la polarización de los pulsos láser permiten la excitación resonante de los modos de guía de ondas de la muestra, que están determinados por las características de la nanoestructura, por lo que se puede controlar el tipo de ondas de espín excitadas. Es posible que cada una de las características asociadas con la excitación óptica se varíe de forma independiente para producir el efecto deseado.
“La nanofotónica abre nuevas posibilidades en el área del magnetismo ultrarrápido”, dijo el coautor del estudio, Alexander Chernov, quien dirige el Laboratorio de Heteroestructuras Magnéticas y Espintrónica en MIPT. “La creación de aplicaciones prácticas dependerá de poder ir más allá de la escala submicrométrica, aumentando la velocidad de operación y la capacidad de multitarea. Hemos mostrado una forma de superar estas limitaciones mediante la nanoestructuración de un material magnético. Hemos localizado con éxito la luz en un punto de unas pocas decenas de nanómetros de diámetro y hemos excitado eficazmente ondas de rotación estacionarias de varios órdenes. Este tipo de ondas de espín permite que los dispositivos funcionen a altas frecuencias, hasta el rango de terahercios “.
El artículo demuestra experimentalmente una eficiencia de lanzamiento mejorada y la capacidad de controlar la dinámica de espín bajo excitación óptica mediante pulsos cortos de láser en una película nanopatrón especialmente diseñada de granate de hierro bismuto. Abre nuevas perspectivas para el procesamiento de datos magnéticos y la computación cuántica basada en oscilaciones de espín coherentes.
Referencia: “La nanofotónica totalmente dieléctrica permite la excitación sintonizable de las ondas de giro de intercambio” por Alexander I. Chernov *, Mikhail A. Kozhaev, Daria O. Ignatyeva, Evgeniy N. Beginin, Alexandr V. Sadovnikov, Andrey A. Voronov, Dolendra Karki , Miguel Levy y Vladimir I. Belotelov, 9 de junio de 2020, Nano letras.
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c01528
El estudio fue apoyado por el Ministerio de Ciencia y Educación Superior de Rusia.
