Jak převádět fotony na magnony. Terahertzové a spinové vlny mají různé vlnové délky a rychlosti šíření, jejich kombinace v elektronice příští generace ale dává smysl.
Mezinárodní výzkumný tým (tiskovou zprávu vydal německý Ústav radiační fyziky Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) vyvinul novou metodu umožňující propojení terahertzových a spinových vln. Jak vědci uvedli v Nature Physics, jejich experimenty v kombinaci s teoretickými modely objasňují základní mechanismy tohoto procesu, který byl dříve považován za nemožný. Výsledky by mohly urychlit využití spintroniky v počítačích příští generace.
Jak uvedl spoluautor studie Sergey Kovalev, vědcům se podařilo účinně excitovat vysokoenergetické spinové vlny pomocí terahertzového světla. K procesu došlo v sendvičové struktuře složené se dvou kovových vrstev o tloušťce několika nanometrů, mezi nimiž byla vložena feromagnetická vrstva. Ve feromagnetických materiálech existuje velmi silná interakce mezi spiny elektronů, takže lokální změna (precese) se pak může šířit v podobě vlny (kolektivní excitace, kvazičástice označovaná jako magnon). Spinovou vlnu lze využít jako nosič informace, přičemž samotné elektrony zůstávají v klidu, takže na rozdíl od přenosu pomocí elektrického proudu by proces měl probíhat s menšími tepelnými ztrátami (energeticky úsporněji).
Frekvence vysokoenergetických spinových vln se pohybují v terahertzovém rozsahu, což odpovídá novým ultrarychlým technologiím pro přenos a zpracování dat. Spojení optické terahertzové technologie se zařízeními založenými na spinu se proto přímo nabízí jako základ počítačových architektur. Magnony a terahertzové fotony nesou navíc srovnatelné množství energie, a proto by měly být navzájem snadno převoditelné. Je však problém: zcela odlišná rychlost obou vlnových jevů. Terahertzové vlny se šíří jako elektromagnetické záření rychlostí světla, zatímco spinové vlny jsou vázány na existenci interagujících spinů. Jejich rychlost šíření je v běžných feromagnetických materiálech oproti rychlosti světla řádově stokrát nižší. A zatímco terahertzové vlny mají vlnovou délku o něco menší než jeden milimetr, vlnová délka spinových vln se pohybuje v rozmezí pouhých několika nanometrů. Terahertzová vlna proto nedokáže předat svou energii mnohem pomalejší spinové vlně přímo. Pro vyřešení tohoto problému vědci vymysleli kombinaci extrémně tenkých kovových vrstev tantalu a platiny, do jejichž středu vložili tenkou vrstvu feromagnetické slitiny niklu a železa. Tato kombinace materiálů je přesně vyladěna tak, aby „překládala“ signály ze světla do spinů.
Autoři výzkumu postupně kovové vrstvy napařili na skleněný substrát, pak vzorky bombardovali intenzivními terahertzovými pulzy a měřili jejich rychle se měnící magnetizaci. Co se týče podrobností celého procesu, terahertzové záření urychluje volné elektrony v těžkém kovu, což umožňuje vznik mikroskopických proudů. Tyto proudy jsou přeměněny na spinové proudy tzv. spinovým Hallovým jevem. Celý systém pak funguje jako terahertzový zdroj spinových vln, který by měl jít snadno integrovat do elektronických obvodů.
Ruslan Salikhov et al, Coupling of terahertz light with nanometre-wavelength magnon modes via spin–orbit torque, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01908-1
Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org a další