Eccitazione Magnon. Credito:Daria Sokol/MIPT
Fisici del MIPT e del Russian Quantum Center, insieme ai colleghi della Saratov State University e della Michigan Technological University, hanno dimostrato nuovi metodi per controllare le onde di spin in film nanostrutturati di granato di ferro bismuto tramite brevi impulsi laser. Presentato in Nano lettere , la soluzione ha il potenziale per applicazioni nel trasferimento di informazioni ad alta efficienza energetica e nel calcolo quantistico basato su spin.
Lo spin di una particella è il suo momento angolare intrinseco, che ha sempre una direzione. Nei materiali magnetizzati, gli spin puntano tutti in una direzione. Un'interruzione locale di questo ordine magnetico è accompagnata dalla propagazione di onde di spin, i cui quanti sono conosciuti come magnon.
A differenza della corrente elettrica, la propagazione dell'onda di spin non comporta un trasferimento di materia. Di conseguenza, l'uso di magnoni anziché di elettroni per trasmettere informazioni porta a perdite termiche molto minori. I dati possono essere codificati nella fase o nell'ampiezza di un'onda di spin ed elaborati tramite interferenza d'onda o effetti non lineari.
I componenti logici semplici basati su magnon sono già disponibili come dispositivi di esempio. Però, una delle sfide dell'implementazione di questa nuova tecnologia è la necessità di controllare determinati parametri dell'onda di spin. Sotto molti aspetti, eccitare i magnon otticamente è più conveniente che con altri mezzi, con uno dei vantaggi presentati nel recente documento in Nano lettere .
I ricercatori hanno eccitato le onde di spin in un granato di ferro bismuto nanostrutturato. Anche senza nanopattering, quel materiale ha proprietà optomagnetiche uniche. È caratterizzato da una bassa attenuazione magnetica, permettendo ai magnon di propagarsi su grandi distanze anche a temperatura ambiente. È anche altamente trasparente dal punto di vista ottico nel vicino infrarosso e ha un'elevata costante di Verdet.
Il film utilizzato nello studio aveva una struttura elaborata:uno strato inferiore liscio con un reticolo unidimensionale formato sulla parte superiore, con un periodo di 450 nanometri. Questa geometria consente l'eccitazione di magnon con una distribuzione di spin molto specifica, che non è possibile per un film non modificato.
Rappresentazione schematica dell'eccitazione dell'onda di spin mediante impulsi ottici. L'impulso della pompa laser genera magnon interrompendo localmente l'ordine degli spin - mostrati come frecce viola - nel granato di ferro bismuto (BiIG). Un impulso di sonda viene quindi utilizzato per recuperare informazioni sui magnon eccitati. GGG denota il granato gadolinio gallio, che funge da substrato Credito:Alexander Chernov et al./Nano Letters
Per eccitare la precessione di magnetizzazione, il team ha utilizzato impulsi laser a pompa polarizzati linearmente, le cui caratteristiche hanno influenzato la dinamica di spin e il tipo di onde di spin generate. È importante sottolineare che l'eccitazione delle onde è il risultato di effetti optomagnetici piuttosto che termici.
I ricercatori si sono affidati a impulsi della sonda da 250 femtosecondi per tracciare lo stato del campione ed estrarre le caratteristiche dell'onda di spin. Un impulso della sonda può essere diretto a qualsiasi punto del campione con un ritardo desiderato rispetto all'impulso della pompa. Questo fornisce informazioni sulla dinamica di magnetizzazione in un dato punto, che può essere elaborato per determinare la frequenza spettrale dell'onda di spin, genere, e altri parametri.
A differenza dei metodi precedentemente disponibili, il nuovo approccio consente di controllare l'onda generata variando diversi parametri dell'impulso laser che la eccita. In aggiunta a ciò, la geometria del film nanostrutturato permette di localizzare il centro di eccitazione in uno spot di circa 10 nanometri. Il nanopattern consente inoltre di generare più tipi distinti di onde di spin. L'angolo di incidenza, la lunghezza d'onda e la polarizzazione degli impulsi laser consentono l'eccitazione risonante dei modi di guida d'onda del campione, che sono determinati dalle caratteristiche della nanostruttura, quindi il tipo di onde di spin eccitate può essere controllato. È possibile che ciascuna delle caratteristiche associate all'eccitazione ottica venga variata indipendentemente per produrre l'effetto desiderato.
"La nanofotonica apre nuove possibilità nel campo del magnetismo ultraveloce, ", ha affermato il coautore dello studio, Alessandro Cernov, che dirige il Laboratorio di eterostrutture magnetiche e spintronica al MIPT. "La creazione di applicazioni pratiche dipenderà dalla capacità di andare oltre la scala submicrometrica, aumentando la velocità operativa e la capacità di multitasking. Abbiamo mostrato un modo per superare queste limitazioni mediante la nanostrutturazione di un materiale magnetico. Abbiamo localizzato con successo la luce in un punto di poche decine di nanometri di diametro e abbiamo effettivamente eccitato onde di spin stazionarie di vario ordine. Questo tipo di onde di spin consente ai dispositivi che operano ad alte frequenze, fino alla gamma dei terahertz."
Il documento dimostra sperimentalmente una migliore efficienza di lancio e la capacità di controllare la dinamica di spin sotto eccitazione ottica mediante brevi impulsi laser in un film nanomodellato appositamente progettato di granato di ferro bismuto. Apre nuove prospettive per l'elaborazione dei dati magnetici e il calcolo quantistico basato su oscillazioni di spin coerenti.
