Zespół odkrył rezonans Magnon-fonon Fermiego w antyferromagnesie.
Istotnym wyzwaniem w nowoczesnej technologii przetwarzania danych jest powolny i energochłonny charakter przechowywania danych. Przewiduje się, że centra przechowywania danych będą wkrótce odpowiadać za prawie 10 procent światowego zużycia energii. Wzrost ten jest częściowo spowodowany nieodłącznymi ograniczeniami obecnie stosowanych materiałów, takich jak ferromagnetyki. W rezultacie rośnie zapotrzebowanie na szybsze i bardziej energooszczędne alternatywy.
Jedną z najbardziej zachęcających ścieżek są antyferromagnetyki – materiały, które nie tylko zapewniają trwalsze i 1000 razy szybsze operacje odczytu i zapisu, ale są także dostępne w większej ilości niż ich ferromagnetyczne odpowiedniki. Zrozumienie i kontrola tych materiałów kwantowych jest kluczem do rozwoju przyszłych technologii. Jak donoszą naukowcy w czasopiśmie, międzynarodowy zespół badawczy donosi obecnie o poważnym kroku naprzód w tym przedsięwzięciu Komunikacja przyrodnicza.
Interakcja między spinami a siecią krystaliczną materiału jest niezbędna w zastosowaniach spintronicznych, ponieważ wykorzystują one spin – moment magnetyczny elektronu – do zapisywania informacji w bitach magnetycznych. W materiałach ferromagnetycznych spiny te silnie oddziałują, tworząc efekt tętnienia zwany falą spinową, który może przemieszczać się przez materiał. Fale spinowe są ekscytujące, ponieważ mogą przenosić informacje bez poruszania się elektronów, w przeciwieństwie do prądu elektrycznego w dzisiejszych chipach komputerowych, co oznacza, że wytwarza się mniej ciepła. I tak jak światło można traktować jako skwantowane cząstki zwane fotonami, tak fale spinowe mają swoje własne kwazicząstki zwane magnonami. Z drugiej strony, gdy atomy w siatce materiału wibrują równomiernie, ruch ten opisywany jest przez kwazicząstki zwane fononami.
Badania zespołu skupiły się na materiale antyferromagnetycznym, difluorku kobaltu (CoF2), gdzie współistnieją magnony i fonony. W tym materiale sąsiednie spiny są ustawione antyrównolegle, co pozwala na dynamikę spinu tysiąc razy większą niż w konwencjonalnych materiałach ferromagnetycznych. Postęp ten może prowadzić do szybszego i bardziej energooszczędnego zapisu bitów danych. Naukowcy wzbudzają tę dynamikę wirowania, łącząc ją z impulsami świetlnymi terahercowy częstotliwości.
Ponadto tak zwany rezonans Fermiego, opisany po raz pierwszy prawie sto lat temu dla dwutlenku węgla, występuje na poziomie atomowym i molekularnym, gdy oddziałują na siebie dwa mody wibracyjne spowodowane absorpcją energii cieplnej, a jeden z częstotliwością jest dwa razy większy od drugiego. Zasada rezonansu Fermiego została dotychczas rozszerzona na układy magnoniczne i fononiczne. Jednak w tej pracy naukowcy po raz pierwszy osiągnęli silne sprzężenie spinu z siecią krystaliczną, które stanowi wzajemny transfer energii pomiędzy tymi podukładami materiału uporządkowanego antyferromagnetycznie.
Magnony i fonon zsynchronizowane
W ramach tego projektu eksperymentalni i teoretyczni naukowcy zajmujący się materią skondensowaną z Instytutu Cząsteczek i Materiałów (IMM) Uniwersytetu Radboud, Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorf (HZDR), Uniwersytet w Kolonii i Instytut Ioffe, odkryli nowatorski kanał przenoszenia energii między magnonami i fononami w antyferromagnesie w warunkach rezonansu Fermiego.
Może to umożliwić w przyszłości kontrolę takich systemów antyferromagnetycznych w celu szybszego i bardziej energooszczędnego przechowywania danych. Wykorzystując intensywne i widmowo jasne źródło superradiantu THz oparte na akceleratorze w Centrum Źródeł Promieniowania Wysokiej Mocy ELBE w HZDR, badacze selektywnie wzbudzili antyferromagnetyczny rezonans spinowy i dostroili jego częstotliwość środkową za pomocą wysokiego zewnętrznego pola magnetycznego do kilku Tesli. Taka konfiguracja umożliwiła dostrojenie częstotliwości rezonansu spinowego do połowy częstotliwości drgań sieci spełniającej warunek rezonansu Fermiego.
Naukowcy odkryli nowy reżim sprzężonej dynamiki magnonowo-fononowej, który umożliwia wymianę energii między tymi dwoma podukładami w rezonansie Fermiego. Dostrajając częstotliwości magnonów, badacze mogą kontrolować ten proces, a w szczególności wzmacniać sprzężenie magnon-fonon. Ten nowy reżim zaobserwowano jako poszerzenie widm fononów i asymetryczną redystrybucję masy widmowej fononów. Ostatecznie ich wyniki sugerują zhybrydyzowany stan dwa magnony-jeden-fonon. Ich praca może okazać się istotna w dziedzinach magnoniki i fononiki, gdzie kluczową rolę odgrywa spójna kontrola energii.
Innowacyjne funkcjonalności w przyszłym przechowywaniu danych
Wyniki badań oferują możliwość manipulowania sprzężeniem spin-sieć na żądanie. Po pierwsze, pozwala to na znaczny wzrost częstotliwości roboczej z konwencjonalnej częstotliwości GHz oferowanej przez materiały ferromagnetyczne do skali THz w materiałach antyferromagnetycznych. Po drugie, może to znacznie zwiększyć wydajność zapisu magnetycznego, co z kolei zmniejszy minimalną ilość energii potrzebnej do operacji zapisu bitowego, a tym samym znacznie obniży całkowite zużycie energii.
Dlatego też w wynikach zaproponowano innowacyjny sposób kontrolowania dynamiki antyferromagnetyków, prowadzący do opracowania nowych koncepcyjnie technologii przechowywania danych w oparciu o takie materiały. W przyszłych badaniach zespół badawczy zamierza sprawdzić, czy warunek rezonansu Fermiego można rozszerzyć, aby kontrolować inne nowatorskie materiały kwantowe, co potencjalnie doprowadzi do postępu w nauce i technologii materiałowej.
Odniesienie: „Rezonans Fermiego Magnona-fonona w antyferromagnetycznym CoF2” autorstwa Thomasa WJ Metzgera, Kirilla A. Grishunina, Chrisa Reinhoffera, Romana M. Dubrovina, Atiqa Arshada, Igora Ilyakova, Thalesa VAG de Oliveira, Aleksieja Ponomaryowa, Jana-Christopha Deinerta, Siergieja Kovalev, Roman V. Pisarev, Michaił I. Katsnelson, Boris A. Iwanow, Paul HM van Loosdrecht, Alexey V. Kimel i Evgeny A. Mashkovich, 28 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49716-w
