Concetto di oscillazione coerente tra fononi e magnoni e microscopia magneto-ottica risolta nel tempo. (a) Un'illustrazione schematica di fononi e magnoni, (b) Un'illustrazione schematica dell'oscillazione coerente tra fononi e magnoni. (c) Le curve di dispersione di fonone e magnon in granato ferro lutezio (LuIG). (d) Una vista ingrandita attorno ad A in Fig. 1c. Le curve nere rappresentano la relazione di dispersione del polarone magnon-fonone ibridato, mentre le curve tratteggiate rosse e blu rappresentano la relazione di dispersione rispettivamente dei magnoni puri e dei fononi acustici trasversali. (e) Configurazione ottica per la microscopia magneto-ottica risolta in tempo con il tempo di ritardo esteso. La dinamica di magnetizzazione eccitata viene rilevata tramite l'angolo di rotazione di polarizzazione dell'impulso laser della sonda indotto dall'effetto magneto-ottico di Faraday nel campione. Il rilevamento viene eseguito da una telecamera con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD). (f) Immagine magneto-ottica osservata 3,5 ns dopo l'irradiazione dell'impulso della pompa sotto il campo magnetico esterno B = 11,5 mT parallelo al vettore d'onda dei magnoni eccitati. g, Spettro del numero d'onda delle immagini magneto-ottiche ottenute osservato 3,5 ns dopo l'eccitazione (B = 11,5 mT). Il riquadro mostra una vista ingrandita. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
È possibile accoppiare due diverse onde con la stessa frequenza e lunghezza d'onda, in modo che l'ampiezza si alterni periodicamente tra le due per formare un fenomeno noto come oscillazione battente coerente. Il processo può essere osservato spesso con un pendolo accoppiato e su scala cosmica come oscillazioni dei neutrini che si verificano a causa delle fluttuazioni tra diversi neutrini. Anche i solidi possono ugualmente mantenere varie eccitazioni delle onde per contribuire alle loro proprietà termiche ed elettromagnetiche.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Nature Communications Physics , Tomosato Hioki e un team di scienziati della ricerca sui materiali e della fisica applicata presso l'Università Tohoku e l'Università di Tokyo in Giappone, hanno descritto il battito coerente osservato tra diverse specie di eccitazione in un solido, vale a dire fononi - energia meccanica vibrazionale quantistica e magnoni - un quasiparticella che rappresenta l'eccitazione collettiva della struttura di spin dell'elettrone. Il team ha utilizzato la microscopia magneto-ottica risolta nel tempo per mostrare come i magnoni generati in un composto siano gradualmente scomparsi trasferendosi ai fononi, per poi tornare alla forma dei magnoni dopo un po'. Il periodo di oscillazione era coerente con il battito del fonone magnon. Gli scienziati prevedono che i risultati sperimentali apriranno la strada al controllo coerente dei sistemi magnon-fononi nei solidi.
Interazioni Phonon-magnon nel granato ferro lutezio
I fononi sono onde vibrazionali di un reticolo cristallino solido responsabile dell'elasticità e delle proprietà termiche dei solidi. I Magnon o le onde di spin sono invece rappresentativi di un movimento ondulatorio di magnetizzazione, presente nei magneti responsabili delle loro proprietà magnetiche e termiche. Queste due particelle possono interagire all'interno dei solidi tramite accoppiamenti magnetoelastici e magnetostatici. La dinamica delle particelle è fornita nelle curve di dispersione di ciascun sistema per mostrare la relazione tra il numero d'onda e la frequenza. Gli scienziati hanno registrato le curve di dispersione dei fononi acustici trasversali e dei magnoni in una pellicola di un tipico isolante come il granato di ferro lutezio. Tali curve di dispersione delle particelle fonone e magnon mantengono un'intersezione attorno alla quale può essere formato uno stato ibridato fonone-magnon. I ricercatori hanno scoperto che questo stato mostra una durata estremamente lunga, molto maggiore dei magnon puri a causa dell'ibridazione con fononi che mantengono una lunga durata.
Osservazione dell'oscillazione coerente magnon-fonone. (a) Evoluzione temporale della parte reale di F~k(t) a kx = kTA sotto il campo magnetico B = 11,5 mT parallelo a k, dove kTA si riferisce al numero d'onda del punto di intersezione tra le relazioni di dispersione dell'acustica trasversale (TA ) fononi e magnoni. I triangoli rossi invertiti indicano t = 15 ns, 20 ns e 25 ns dopo l'irradiazione dell'impulso della pompa. (b) Uno spettro di potenza in frequenza di F~k(t) a kx = kTA. I cerchi pieni di blu rappresentano l'intensità dello spettro ottenuta sperimentalmente, mentre la curva grigia rappresenta la curva di adattamento. Il triangolo rosso invertito evidenzia i picchi. Gli errori dei dati vengono valutati come una deviazione standard, che è inferiore al grafico dei dati. (c) Curve di dispersione calcolate teoricamente di polaroni Magnon attorno a kx = kTA e ky = 0, dove utilizziamo l'energia di anisotropia cristallina Kc = 73,0 [J ⋅ m−3], energia di anisotropia uniassiale Ku = −767,5 [J ⋅ m−3 ], magnetizzazione di saturazione Ms = 14,8 [kA ⋅ m−1], velocità dei fononi LA vLA = 6,51 [km ⋅ s−1], velocità dei fononi TA vTA = 3,06 [km ⋅ s−1] e costante di accoppiamento magnon-fonone b2 = 1.8 × 105 [J ⋅ m−3]. Le curve solide nere rappresentano le curve di dispersione dei polaroni magnon, mentre le curve tratteggiate blu e rosse rappresentano rispettivamente fononi TA e magnon puri. (d) Evoluzione temporale della parte reale di F~k(t) a kx = kLA sotto il campo magnetico B = 11,5 mT parallelo a k, dove kLA si riferisce al numero d'onda del punto di intersezione tra le relazioni di dispersione dell'acustica longitudinale (LA ) fononi e magnoni. (e) Uno spettro di potenza in frequenza di F~k(t) a kx = kLA. I cerchi pieni di nero rappresentano l'intensità dello spettro ottenuta sperimentalmente, mentre la curva grigia rappresenta la curva di adattamento. Gli errori dei dati vengono valutati come una deviazione standard, che è inferiore al grafico dei dati. (f) Curve di dispersione calcolate in teoria di polaroni Magnon attorno a kx = kLA. La linea grigia e la curva rossa rappresentano rispettivamente le curve di dispersione dei fononi LA e dei magnoni. (g) Evoluzione temporale della parte reale di F~k(t) a kx = kTA sotto il campo magnetico B = 11,5 mT perpendicolare a k. (h) Evoluzione temporale della parte reale di F~k(t) a kx = kLA sotto il campo magnetico B = 11,5 mT perpendicolare a k. (i), Immagini magneto-ottiche scattate con tempi di ritardo differenti. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
I fisici hanno confermato la durata prolungata del granato di ferro lutezio, misurando la conversione spin-calore, anche a temperatura ambiente. I ricercatori si aspettano di osservare simultaneamente una sovrapposizione coerente che forma una corrispondente oscillazione battente tra fononi e magnoni. In questo lavoro, Hioki et al hanno descritto l'osservazione del battito coerente tra due fononi e magnoni all'interno del granato di ferro lutezio. Il team ha utilizzato la microscopia magneto-ottica risolta nel tempo e ha misurato la dinamica della magnetizzazione. Hanno trovato il battito coerente fino a decine di nanosecondi e hanno confermato sperimentalmente un forte accoppiamento tra magnoni e fononi nel film nudo di granato ferro lutezio, abbreviato in LUIG.
La configurazione sperimentale
Hioki et al hanno esplorato le oscillazioni di battimento nei solidi sviluppando il microscopio magneto-ottico a risoluzione temporale. Durante gli esperimenti, hanno utilizzato un film sottile di LUIG con uno spessore di 1,8 µm, con grandi effetti magneto-ottici e piccolo smorzamento della magnetizzazione. Il team ha stimolato la dinamica della magnetizzazione concentrando una luce laser pulsata con una lunghezza d'onda di 800 nm nel campione, che corrispondeva a quasi la metà dell'energia del gap di banda di LUIG. La pompa ha eccitato l'onda di spin o i magnoni tramite la smagnetizzazione fotoindotta e l'espansione fotoindotta. Gli scienziati hanno eccitato selettivamente il Magnon perpendicolare alla linea verticale utilizzando le interferenze di Huygens-Fresnel. Successivamente, hanno utilizzato un altro impulso di luce debole, noto come impulso sonda sul campione con una lunghezza d'onda di 630 nm, e hanno misurato la distribuzione spaziale della rotazione magneto-ottica di Faraday dell'impulso sonda trasmesso attraverso il campione tramite una telecamera. Il team ha risolto la frequenza del gap magnon-fonone nel campione durante gli esperimenti.
Numero d'onda e dipendenza dal campo dell'oscillazione coerente magnon-fonone. (a) Spettro di frequenza Fk(ω) osservato a B = 11,5 mT attorno all'intersezione delle curve di dispersione del fonone Magnon e dell'acustica trasversale (TA). (b) Confronto tra il gap ottenuto sperimentalmente tra il ramo superiore e il ramo inferiore dello spettro a B = 11,5 mT e il calcolo teorico della frequenza del gap. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. (c) Spettro di frequenza Fk(ω) osservato a B = 13,0 mT attorno all'intersezione delle curve di dispersione Magnon e TA-fonone. (d) Confronto tra il gap ottenuto sperimentalmente tra il ramo superiore e il ramo inferiore dello spettro di frequenza a B = 13,0 mT e il calcolo teorico della frequenza del gap. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Il team ha ottenuto un angolo di rotazione di polarizzazione dopo l'irradiazione dell'impulso della pompa, in cui sono apparsi modelli di onde verticali in prossimità del fuoco dell'impulso della pompa per dimostrare l'eccitazione del Magnon del dispositivo. Hanno confermato che la rotazione della polarizzazione è dovuta all'effetto magneto-ottico di Faraday. I risultati hanno mostrato lo sviluppo di polaroni magnon all'intersezione delle curve di dispersione di magnon e fononi dopo l'irradiazione a impulso di pompa. Hioki et al hanno misurato direttamente i magnoni puri tramite microscopia per mostrare il segnale periodicamente oscillante in funzione del tempo con la frequenza dei magnoni.
Hanno quindi misurato la rotazione magneto-ottica di Faraday e hanno mostrato la scomparsa del segnale quando i magnoni si sono trasformati in fononi. Le oscillazioni osservate implicavano battiti periodici tra magnoni e fononi nel dominio del tempo. Il team ha inoltre dimostrato le oscillazioni di battimento coerenti nello spazio reale tramite il cambiamento tempestivo del modello d'onda eccitato dall'impulso della pompa. Hanno discusso gli spettri di eccitazione dei magnoni e la frequenza di oscillazione coerente, nonché la frequenza angolare all'intersezione tra le curve di distribuzione dei magnoni e dei fononi. I risultati hanno mostrato un buon accordo con i calcoli teorici.
Adattamento dei parametri di oscillazione coerente. (a) Evoluzione temporale ottenuta sperimentalmente di |F~k(t)|2 a B = 11,5 mT. (b) Evoluzione temporale calcolata dell'ampiezza Magnon |a~k(t)|2. (c) Evoluzione temporale di |F~k(t)|2 a differenti numeri d'onda. Le curve grigie rappresentano le curve di adattamento secondo l'Eq. (3) descritto nello studio. Gli errori dei dati vengono valutati come una deviazione standard, che è inferiore al grafico dei dati. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Calcolo numerico dell'intensità di eccitazione del Magnon. (a) Mappa termica di G(r). σx e σy sono impostati per realizzare l'eccitazione in onda piana del magnon polaron (σx = 40 nm, σy = 40 nm). (b) Evoluzione temporale dell'intensità di eccitazione f(t). (c) Mappa termica dell'intensità dello spettro calcolata secondo l'Eq. (ts = 1,5 ns, te = 1,6 ns, σt = 0,3 ns). L'intensità dello spettro raggiunge il picco all'incrocio di dispersione tra fonone acustico trasversale (TA) e magnon, riproducendo i risultati sperimentali. Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
In questo modo, Tomosato Hioki e colleghi hanno misurato numericamente l'evoluzione tempestiva dell'ampiezza del Magnon calcolando la trasformata di Fourier dell'ampiezza spettrale del Magnon. Il team ha ritenuto che la dinamica accoppiata tra fononi acustici trasversali e magnoni fosse rilevante per l'oscillazione osservata. Per comprendere i risultati sperimentali, Hioki et al. hanno attribuito la grande cooperatività al piccolo smorzamento magnetico intrinseco e al fattore di alta qualità dei fononi nei cristalli di granato. Gli scienziati hanno ulteriormente migliorato l'accoppiamento magnone-fonone nel film fabbricando cristalli fononici o magnonici fuori dal film piano, per aiutare il controllo dei magnoni nei circuiti e nei dispositivi magnonici. Le oscillazioni coerenti magnon-fonone presentate forniscono una piattaforma per studiare la dinamica dei sistemi accoppiati, per regolare le proprietà magnetiche ed elastiche in una varietà di materiali magnetici. + Esplora ulteriormente
© 2022 Rete Science X
