Восстание аутсайдеров: пренебрежение механизмом в антиферромагнетиках может стать ключом к спинтронике

Во всем мире прилагаются колоссальные усилия в области технологий, которая может намного превзойти возможности традиционной электроники: спинтроники. Вместо того, чтобы работать на основе коллективного движения заряженных частиц (электронов), устройства спинтроники могли бы сохранять память и передавать данные, манипулируя спином, внутренним свойством элементарных частиц, связанным с угловым моментом и из которого возникают многие магнитные характеристики в материалах. К сожалению, управление вращением оказалось сложной задачей, ведущие физики и инженеры искали для этого эффективные материалы и методы.

В этом отношении антиферромагнитные материалы (АСМ) являются хорошими кандидатами для спинтроники, поскольку они устойчивы к внешним магнитным полям и позволяют переключать значения спина в пикосекундах. Одна многообещающая стратегия управления ориентацией спина в AFM — использование оптического лазера для создания чрезвычайно короткоживущих импульсов магнитного поля, явление, известное как обратный эффект Фарадея (IFE). Хотя IFE в AFM генерирует два очень разных типа крутящего момента (вращательной силы) при их намагничивании, теперь кажется, что наиболее важным из них как-то пренебрегли в исследованиях.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications , трио ученых, в том числе профессор Такуя Сато из Токийского технологического института, Япония, глубоко погрузились в этот вопрос. Спиновая динамика в AFM описывается суммой двух терминов: момент, подобный полю, и момент, подобный демпфированию. Последнее, как подразумевает слово «затухание», связано с постепенным затуханием (или затуханием) спиновых колебаний, вызванных оптическими импульсами на материале.

До сих пор ученые изучали затухающий момент только с точки зрения релаксации спина после возбуждения, полагая, что его амплитуда мала во время процесса ультракороткого спинового возбуждения. Однако в этом исследовании профессор Сато и его коллеги обнаружили, что в некоторых случаях он является основным игроком с точки зрения переориентации спина из-за IFE. Путем теоретического анализа и экспериментальной проверки как в YMnO3, так и в HoMnO3 они прояснили условия, при которых эффект затухания становится доминирующим механизмом спинового возбуждения.

Упрощенная интерпретация результатов может быть следующей. Представьте себе висящий маятник (направление намагничивания), колеблющийся широкими дугами, рисуя очень выраженный эллипс. Крутящий момент, подобный демпфированию, вызывает большое мгновенное возмущение в направлении малого диаметра, «опрокидывая» его и заставляя наклоняться, как волчок, который вот-вот упадет. «В остальном небольшая намагниченность, связанная с демпфированием, вызывает большой перекос спина из-за чрезвычайной эллиптичности, свойственной AFM», — объясняет профессор Сато. «Учитывая, что можно регулировать силу демпфирования путем стратегического выбора ионов в АСМ, мы могли бы найти способ настройки свойств материала для конкретных приложений спинтроники», — добавляет он.

Трио ученых также проверило, как на спиновую динамику влияет температура, которая влияет и даже разрушает антиферромагнитный порядок после определенных пороговых значений. Помещая материалы близко к критическим точкам перехода, им удалось добиться более выраженного эффекта демпфирующего момента. Взволнованный результатами, профессор Сато замечает: «Наши результаты показывают, что оптически генерируемые крутящие моменты могут обеспечить долгожданный инструмент, позволяющий эффективно реализовать сверхбыстрое переключение вращения в АСМ».

Хотя, безусловно, потребуются гораздо больше исследований, прежде чем прикладная спинтроника станет реальностью, обнаружение эффективных механизмов манипуляции спином, очевидно, является одним из первых шагов. Это исследование доказывает, что такие механизмы могут быть скрыты в явлениях, которые мы знаем и игнорируем!

Источник истории:

Материалы предоставлены Токийским технологическим институтом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.