物理学家实现可调自旋波激发

来自 MIPT 和俄罗斯量子中心的物理学家，以及来自萨拉托夫州立大学和密歇根理工大学的同事，已经展示了通过短激光脉冲控制纳米结构铋铁石榴石薄膜中自旋波的新方法。在呈现的纳米快报，所述溶液具有用于高效节能的信息传送和基于自旋的量子计算应用的潜力。

粒子的自旋是它的内在角动量，它总是有一个方向。在磁化材料中，自旋都指向一个方向。这种磁序的局部破坏伴随着自旋波的传播，其量子称为磁振子。

与电流不同，自旋波的传播不涉及物质的转移。因此，使用磁振子而不是电子来传输信息会导致热损失小得多。数据可以用自旋波的相位或幅度进行编码，并通过波干涉或非线性效应进行处理。

基于 magnons 的简单逻辑组件已经作为示例设备提供。然而，实施这项新技术的挑战之一是需要控制某些自旋波参数。在许多方面，光学激发磁振子比其他方式更方便，最近在Nano Letters 上发表的论文中介绍了其中一项优势。

研究人员在纳米结构的铋铁石榴石中激发了自旋波。即使没有纳米图案，这种材料也具有独特的光磁特性。它的特点是低磁衰减，即使在室温下也允许磁振子远距离传播。它在近红外范围内也是高度光学透明的，并具有高维尔德常数。

研究中使用的薄膜具有复杂的结构：光滑的下层，顶部形成一维光栅，周期为 450 纳米。这种几何形状可以激发具有非常特定自旋分布的磁振子，这对于未改性的薄膜是不可能的。

光脉冲自旋波激发的示意图。激光泵浦脉冲通过局部扰乱铋铁石榴石 (BiIG) 中的自旋顺序(显示为​​紫色箭头)来产生磁振子。然后使用探测脉冲来恢复有关受激磁振子的信息。GGG 表示钆镓石榴石，用作基材 图片来源：Alexander Chernov 等人/Nano Letters

为了激发磁化进动，该团队使用了线性极化泵浦激光脉冲，其特性会影响自旋动力学和产生的自旋波的类型。重要的是，波激发是由光磁效应而不是热效应引起的。

研究人员依靠 250 飞秒的探测脉冲来跟踪样品的状态并提取自旋波特征。探针脉冲可以以相对于泵浦脉冲的所需延迟定向到样品上的任何点。这会产生有关给定点磁化动力学的信息，可以对其进行处理以确定自旋波的频谱频率、类型和其他参数。

与以前可用的方法不同，新方法可以通过改变激发它的激光脉冲的几个参数来控制生成的波。除此之外，纳米结构薄膜的几何形状允许激发中心定位在大约 10 纳米大小的点上。纳米图案还可以生成多种不同类型的自旋波。激光脉冲的入射角、波长和偏振使样品的波导模式共振激发，这是由纳米结构特性决定的，因此可以控制激发的自旋波的类型。可以独立地改变与光激发相关的每个特性以产生所需的效果。

“纳米光子学在超快磁学领域开辟了新的可能性，”该研究的合著者、MIPT 磁性异质结构和自旋电子学实验室负责人亚历山大·切尔诺夫说。“实际应用的创造将取决于能够超越亚微米尺度、提高操作速度和多任务处理能力。我们已经展示了一种通过对磁性材料进行纳米结构化来克服这些限制的方法。我们已经成功地将光定位在一个点上几十纳米的宽度并有效地激​​发了不同数量级的自旋驻波。这种类型的自旋波使设备能够在高达太赫兹范围的高频下工作。”

该论文通过实验证明，在特殊设计的铋铁石榴石纳米图案薄膜中，短激光脉冲在光激发下提高了发射效率和控制自旋动力学的能力。它为基于相干自旋振荡的磁数据处理和量子计算开辟了新的前景。

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