Учёные из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Российского квантового центра и МГУ впервые реализовали оптический метод работы с прямыми объёмными магнитостатическими спиновыми волнами. Исследователям удалось не только возбудить, но и зарегистрировать такие волны с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Разработка рассматривается как основа для будущих быстрых и энергоэффективных оптомагнонных логических устройств и нанофотонных структур.
Спиновые волны представляют собой коллективные колебания магнитных моментов (спинов) в магнитных материалах. Они характеризуются высокой частотой, значительной групповой скоростью и отсутствием тепловых потерь при распространении. Благодаря этим свойствам их рассматривают как перспективную альтернативу электрическому току для передачи, обработки и хранения информации.
Станислав Коларь из лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ отметил, что спиновые волны давно изучаются как инструмент информационных технологий. По его словам, их преимущество заключается в отсутствии тепловыделения и высокой скорости, а также в удобстве описания логических операций. Ранее прямые объёмные спиновые волны возбуждали только высокочастотными антеннами, тогда как в новой работе использовано лазерное воздействие как альтернативный подход.
Спиновые волны делятся на поверхностные и объёмные. Последние бывают прямыми и обратными в зависимости от соотношения фазовой и групповой скоростей. Наибольший интерес представляют прямые объёмные волны, поскольку они распространяются равномерно во всех направлениях тонких магнитных плёнок. Это свойство позволяет создавать компактные двумерные логические схемы без выделенных направлений распространения сигнала.
Оптическое возбуждение таких волн долго оставалось сложной задачей. При нормальном падении света не возникает достаточного магнитного воздействия для запуска волны, а при малых углах падающего излучения невозможно корректно зарегистрировать колебания намагниченности. Для решения задачи исследователи использовали косое падение лазерных пучков под углами 70° и 60° для возбуждения и считывания сигнала.
Возбуждение спиновой волны основано на обратном эффекте Фарадея: поляризованный свет формирует магнитное поле, инициирующее колебания. Регистрация происходит за счёт прямого эффекта Фарадея, когда колебания спинов изменяют поляризацию проходящего света, позволяя фиксировать сигнал.
Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, отметил, что основная сложность связана с экспериментальной реализацией. При больших углах падающего излучения усложняется управление лазерными пучками и их взаимодействие с образцом, однако все технические трудности удалось преодолеть.
Впервые показано, что прямые объёмные спиновые волны можно возбуждать и регистрировать с помощью лазерных импульсов. В экспериментах волны распространялись более чем на 100 мкм в плёнке висмут-замещённого иттрий-железного граната (Bi:YIG) толщиной 42 мкм. Длина волны составила 150–170 мкм. Измеренные параметры включали групповую скорость 22 км/с и фазовую 230 км/с при теоретических значениях 54 км/с и 334 км/с. Расхождение объясняется многомодовым характером возбуждения, при котором лазер формирует набор мод, а не одну волну. Результаты опубликованы в журнале Annalen der Physik при поддержке Российского научного фонда.
Разработанный метод не зависит от толщины магнитной плёнки и применим даже к нанометровым слоям. Его ключевое преимущество заключается в возможности изменять параметры волн непосредственно в ходе эксперимента.
Александр Чернов подчеркнул, что оптическое возбуждение позволяет управлять характеристиками процесса в реальном времени: изменять частоту можно за счёт магнитного поля, а спектр волн — за счёт параметров лазерного пучка. Это делает исследование более гибким и позволяет оперативно подбирать условия эксперимента.
Практическое применение результатов связано с развитием спинтроники и оптомагноники, включая переход от фундаментальных исследований к созданию логических оптико-магнонных схем.
