Синтетические антиферромагнетики — это специально созданные магнитные материалы, состоящие из чередующихся ферромагнитных слоёв с противоположно направленными магнитными моментами, разделёнными немагнитной прослойкой. Эти материалы могут демонстрировать интересные закономерности намагничивания, характеризующиеся быстрыми изменениями в поведении магнитных моментов в ответ на внешние силы, такие как токи радиочастоты (РЧ).
Когда намагниченность каждого слоя в синтетических антиферромагнетиках нарушается под воздействием внешней силы, его магнитные моменты начинают «прецессировать», то есть вращаться вокруг своего равновесного направления.
В предыдущих исследованиях были выявлены два основных коллективных режима спиновых колебаний в синтетических антиферромагнетиках, влияющих на прецессию магнитных моментов:
* акустический режим, характеризующийся синхронизированным вращением ферромагнитных слоёв в одном направлении и фазе;
* оптический режим, в котором ферромагнитные слои вращаются в противоположных направлениях (то есть один слой намагничивается вверх, а другой — вниз).
Исследователи из Университета Тохоку и других институтов недавно провели исследование, чтобы глубже изучить взаимодействие между акустическим и оптическим режимами в синтетических антиферромагнетиках. В их статье, опубликованной в Physical Review Letters, сообщается о наблюдении явления, известного как расщепление по типу Раби, которое указывает на обмен энергией между двумя режимами. Это явление, по-видимому, возникает из-за нелинейного взаимодействия между тремя квазичастицами, известными как магноны.
«Эта работа возникла в результате сближения двух различных направлений исследований», — рассказал Phys.org соавтор статьи Шигеми Мидзуками. «Доктор Ааканша Суд ранее изучала расщепление по типу Раби из-за линейной связи режимов в синтетических антиферромагнетиках с использованием электрических методов в условиях нарушения симметрии».
«Параллельно мои коллеги и я исследовали линейную и нелинейную динамику в подобных системах с помощью полностью оптических методов. Это поставило перед нами ключевой вопрос: может ли возникнуть сильная нелинейная связь без нарушения симметрии?»
Чтобы ответить на этот вопрос, команда провела эксперимент, сочетающий электрические методы возбуждения с нелинейной динамикой. Чтобы лучше понять свои наблюдения, они сотрудничали с физиком-теоретиком доктором К. Ямамото, который помог им подтвердить, что наблюдаемое ими чёткое расщепление по типу Раби возникло из-за трёхмагнонного взаимодействия без нарушения симметрии.
«Мы использовали электрическую технику, называемую РЧ-выпрямлением, которая позволяет нам возбуждать динамику намагничивания в нелинейном режиме», — объяснил Мидзуками. «Применяя РЧ-ток к синтетическому антиферромагнетику, состоящему из двух антиферромагнитно связанных ферромагнитных слоёв, мы индуцировали магнитные резонансы и отслеживали создаваемый ими сигнал напряжения».
В рамках эксперимента исследователи возбудили синтетический антиферромагнетик с помощью РЧ-тока, который вызвал колебания в его магнитных слоях. Применённый ими РЧ имел частоту возбуждения, равную половине резонансной частоты оптического режима, поскольку это позволило нелинейное взаимодействие между акустическим и оптическим режимами.
В этих специфических условиях они обнаружили, что спектральный пик акустического режима был разделён на два, что называется расщеплением по типу Раби. Это явление указывает на связь между акустическим и оптическим режимами.
«Наше ключевое открытие заключается в том, что расщепление по типу Раби из-за нелинейного магнонного взаимодействия может происходить в симметричной системе без нарушения симметрии», — сказал Мидзуками. «Это показало, что одни только внутренние нелинейности могут гибридизировать магнонные моды. Эти результаты открывают новые возможности для вклада в более широкое понимание нелинейной динамики в системах конденсированных сред и электрически перестраиваемых приложений на основе магнонов».
Результаты этого недавнего исследования могут проложить путь для дальнейших исследований, направленных на изучение нелинейных взаимодействий и многорежимного взаимодействия в синтетических антиферромагнетиках и других магнитных материалах. В будущем они могут способствовать разработке новых настраиваемых магнитных и спинтронных устройств.
«Сейчас мы рассматриваем, как нелинейная связь влияет на распространение магнонов, а не только на стоячие магнитные резонансы, продемонстрированные в этом исследовании, для дальнейшего понимания и с учётом потенциальных приложений на основе магнонов», — добавил Мидзуками.
«Мы планируем разработать новые архитектуры устройств для управления распространением магнонов с помощью дизайна материалов и нанофабрикации, чтобы создать масштабируемые платформы с низким энергопотреблением для спинтронных и нейроморфных вычислений на основе нелинейной динамики магнонов», — добавила Суд.