Физики научились управлять объемными спиновыми волнами с помощью лазера

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Российского квантового центра и МГУ впервые использовали лазерные импульсы для возбуждения и регистрации прямых объемных магнитостатических спиновых волн. Результаты работы опубликованы в журнале Annalen der Physik.

Прямые объемные волны: преимущества

Спиновые волны бывают поверхностными и объемными. Среди объемных выделяют прямые и обратные — в зависимости от соотношения направлений групповой и фазовой скоростей. Наибольший интерес для приложений представляют прямые объемные волны: они распространяются равномерно во все стороны в тонких пленках. Это позволяет создавать компактные двумерные логические схемы без выделенных направлений.

«Спиновые волны уже давно обсуждаются как перспективный способ передачи и обработки информации, — отметил Станислав Коларь, сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ. — Прямые объемные спиновые волны до этого возбуждались лишь с помощью высокочастотных антенн, а мы решили изучить их возбуждение лазерными импульсами».

Как лазер заменяет антенну

Основная трудность заключалась в том, что при нормальном падении излучения эффективное магнитное поле не создает вращающего момента, и волна не возбуждается. При малых углах падения невозможно зарегистрировать колебания намагниченности. Авторы направили оба лазерных пучка — возбуждающий и считывающий — под большими косыми углами: 70° и 60° к поверхности.

Возбуждение происходит за счет обратного эффекта Фарадея: поляризованный свет генерирует магнитное поле, запускающее спиновую волну. Детектирование основано на прямом эффекте Фарадея: колебания спинов поворачивают плоскость поляризации проходящего света. «Самые большие сложности оказались экспериментальными, — пояснил Александр Чернов, заведующий лабораторией МФТИ. — При больших углах падения сложнее контролировать лазерные пучки и их взаимодействие с образцом, особенно с учетом конфигурации магнитного поля. Но нам удалось решить все проблемы».

Волны распространялись на расстояние более 100 мкм в 42-микронной пленке висмут-замещенного иттрий-железного граната (Bi:YIG). Длина волны составила 150–170 мкм. Измеренная групповая скорость — 22 км/с, фазовая — 230 км/с. Некоторое расхождение с теоретическими значениями (54 км/с и 334 км/с) объясняется многомодовым характером возбуждения: лазер порождает пакет мод.

Перспективы и практическое значение

Новый метод не зависит от толщины пленки и применим к нанометровым слоям. Ключевое преимущество — возможность менять параметры волн в ходе эксперимента. «Например, частоту возбуждений можно регулировать величиной магнитного поля, спектр возбуждаемых спиновых волн — размером лазерного пучка, — отметил Александр Чернов. — Это позволяет более эффективно исследовать системы, подбирая параметры прямо на ходу».

Авторы видят практическое значение работы в развитии спинтроники и оптомагноники — от фундаментальных исследований до реальных оптико-магнонных логических схем. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.