Системы с изменяющимися во времени свойствами — материалы, свойства которых меняются со временем, — открыли новые возможности для экспериментального управления волнами. В отличие от статических систем, которые демонстрируют одни и те же свойства в течение времени, эти материалы нарушают так называемую симметрию временного переноса. Это, в свою очередь, приводит к возникновению различных удивительных явлений, включая отражение, преломление и дифракцию времени.
До сих пор большинство исследований материалов с изменяющимися во времени свойствами касались оптических систем, то есть систем, предназначенных для управления светом определёнными способами. Однако в последнее время некоторые физики начали изучать возможность создания магнонных систем с изменяющимися во времени свойствами. Они состоят из коллективных волнообразных возбуждений спина электронов в магнитных материалах и могут передавать информацию с низкими потерями энергии.
Исследователи из Университета Шанхая, Университета Шаньдуна, Шанхайского института технической физики Китайской академии наук и Университета Чжэцзян разработали новую стратегию экспериментальной реализации временной сильной связи в магнонных системах.
Их подход, описанный в статье, опубликованной в Physical Review Letters, основан на методе, называемом спектроскопией с временным разрешением с использованием частотной гребёнки, который можно использовать для обнаружения быстро меняющихся спектральных вариаций связанных магнонных мод.
«Мы обнаружили режим накачки, индуцированный магнонами (PIM) под воздействием микроволнового излучения в 2023 году. Режим PIM уникален, поскольку он легко реагирует на чрезвычайно слабые микроволновые поля (на уровне нанотесла, что в 10 000 раз слабее магнитного поля Земли)», — рассказали Phys.org Биму Яо и Вэй Лу, руководившие этим исследованием.
«Мы задались вопросом: что произойдёт, если непрерывное излучение заменить импульсами? В результате наши эксперименты выявили чирпованные колебания, подобные колебаниям Раби, свидетельствующие о временной сильной связи между магнонными модами. Это эффективно реализует временную среду для спиновых волн — задача, обычно затрудняемая сложностью быстрой модуляции дисперсии магнонов, но ставшая возможной благодаря нашему подходу», — добавили они.
Ключевой целью недавней работы Яо и его коллег была экспериментальная реализация нарушения временной симметрии в системе на чипе, состоящей из спиновых волн, или магнонных мод. Для этого им необходимо было достичь временной сильной связи между магнонами в копланарной волноводной системе.
«Мы также хотели создать временные интерфейсы и временные щели для магнонов, чтобы продемонстрировать временную дифракцию», — сказали Цзиньвэй Рао и Лихуэй Бай, профессора из Университета Шаньдуна, проводившие это исследование в Университете Шанхая. «Наконец, мы поставили перед собой задачу разработать метод, способный разрешать спектральные вариации в наносекундном масштабе, выявляя ранее не наблюдаемые временные вариации силы связи магнонов».
Для создания своей магнонной системы исследователи поместили ферримагнетик (то есть материал, состоящий из популяций атомов с противоположными магнитными моментами) на копланарный волновод, линию передачи, в которой проводники лежат в одной плоскости на подложке. Затем они пропускали через систему периодические микроволновые импульсы накачки для возбуждения магнонных мод в ферримагнетике.
«Быстрое формирование и угасание PIM на краях импульсов модулируют связь между PIM и другим режимом магнонной моды», — пояснил Рао. «Вариация частоты магнонных мод происходит в наносекундном масштабе, что намного превышает скорость сбора данных коммерческими анализаторами. Чтобы зафиксировать этот сверхбыстрый динамический процесс, мы разработали новую технику спектроскопии с временным разрешением с использованием частотной гребёнки (trFCS)».
Используя разработанную ими методику trFCS, исследователи смогли обнаружить спектральные вариации магнонных мод в наносекундном масштабе, что на порядки быстрее, чем у широко используемых методов. Такое разрешение было необходимо для наблюдения внезапных изменений дисперсии магнонов, образующих «временные интерфейсы».
Чтобы создать временные щели (то есть резкие изменения связи в определённые моменты) в своей системе, исследователи укоротили внешний источник энергии, используемый для модуляции взаимодействия между магнонными модами, также известный как «накачка».
«Быстрый запуск и отключение создают два соседних временных интерфейса (временную щель). Использование двух коротких импульсов создаёт двойную временную щель», — сказал Яо. «Спектр показывает боковые полосы, расстояние между которыми обратно пропорционально разделению щелей — аналог временной области двойной щели Юнга».
Это исследование представляет новую жизнеспособную и практическую стратегию реализации временной сильной связи в магнонной системе на чипе без её перенастройки. Используя свой подход, исследователи впервые продемонстрировали двухщелевую временную дифракцию магнонных мод.
В будущем другие исследовательские группы могут разработать аналогичные методы для наносекундной широкополосной спектроскопии микроволновых систем и применить их для реализации магнонных систем с изменяющимися во времени свойствами.
«Наша работа демонстрирует потенциал для эффективного умножения магнонов и программируемого управления, тем самым повышая эффективность преобразования спиновых волн, позволяя создавать полностью магнитные смесители и источники ГГц на чипе для вычислений с низкими потерями и квантовых гибридных систем», — заключил Вэй Лу. «Техника trFCS служит универсальным инструментом для изучения динамических микроволновых систем. Далее мы сократим щели/импульсы, чтобы зафиксировать сверхбыстрое поведение временной рефракции/дифракции, и интегрируем многощелевые системы сильной связи на чипе в направлении «решётки, программируемой магноникой».