Магноника

Магноника — развивающаяся область современного магнетизма , которую можно считать подобластью современной физики твердого тела . Магноника сочетает в себе изучение волн и магнетизма. Его основная цель — исследование поведения спиновых волн в элементах наноструктур. По сути, спиновые волны представляют собой распространяющееся изменение порядка намагниченности в материале и возникают в результате прецессии магнитных моментов . Магнитные моменты возникают из орбитального и спинового моментов электрона, чаще всего именно этот спиновый момент вносит вклад в суммарный магнитный момент.

После успеха современного жесткого диска в настоящее время существует большой интерес к будущему магнитному хранению данных и использованию спиновых волн для таких вещей, как «магнонная» логика и хранение данных. Точно так же спинтроника стремится использовать присущую спину степень свободы в дополнение к уже успешному свойству заряда электрона, используемому в современной электронике . Современный магнетизм занимается углублением понимания поведения намагниченности на очень малых (субмикрометровых) масштабах длины и в очень быстрых (субнаносекундных) временных масштабах, а также того, как это можно применить для улучшения существующих или создания новых технологий и вычислительных концепций. Магнонное устройство крутящего момента было изобретено, а затем усовершенствовано на Национального университета Сингапура факультете электротехники и вычислительной техники , что основано на таком потенциальном использовании, результаты которого были опубликованы 29 ноября 2019 года в журнале Science .

Магнонный кристалл — магнитный метаматериал с переменными магнитными свойствами. Как и обычные метаматериалы, их свойства возникают в результате геометрического структурирования, а не непосредственно из их зонной структуры или состава. Небольшие пространственные неоднородности создают эффективное макроскопическое поведение, приводящее к свойствам, которые трудно обнаружить в природе. Путем изменения параметров, таких как относительная проницаемость или намагниченность насыщения, существует возможность настроить «магнонную» запрещенную зону в материале. Путем настройки размера этой запрещенной зоны только моды спиновых волн, способные пересекать запрещенную зону, смогут распространяться через среду, что приведет к избирательному распространению определенных частот спиновых волн. См. Поверхностный магнонный поляритон .

Теория

Спиновые волны могут распространяться в магнитных средах с магнитным упорядочением, таких как ферромагнетики и антиферромагнетики . Частоты прецессии намагниченности зависят от материала и его магнитных параметров, обычно частоты прецессии в микроволновом диапазоне составляют от 1 до 100 ГГц, обменные резонансы в отдельных материалах могут видеть даже частоты до нескольких ТГц. Эта более высокая частота прецессии открывает новые возможности для аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Сами спиновые волны имеют групповую скорость порядка нескольких километров в секунду. Затухание . спиновых волн в магнитном материале также приводит к затуханию амплитуды спиновой волны с расстоянием, а это означает, что расстояние, которое могут пройти свободно распространяющиеся спиновые волны, обычно составляет всего несколько десятков микрометров Затухание динамической намагниченности феноменологически объясняется константой затухания Гильберта в уравнении Ландау-Лифшица-Гильберта (уравнение ЛЛГ), сам механизм потери энергии до конца не понятен, но известно, что он возникает микроскопически в результате магнон -магнонного рассеяния , Магнон- фононное рассеяние и потери из-за вихревых токов . Уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта представляет собой « уравнение движения » намагниченности. Все свойства магнитных систем, такие как приложенное поле смещения, обмен образца, анизотропия и диполярные поля, описываются в терминах «эффективного» магнитного поля, которое входит в уравнение Ландау – Лифшица – Гилберта. Изучение демпфирования в магнитных системах является постоянной современной темой исследований.Уравнение ЛЛ было введено в 1935 году Ландау и Лифшицем для моделирования прецессионного движения намагниченность $\mathbf {M}$ в твердом теле с эффективным магнитным полем $\mathbf {H} _{\mathrm {eff} }$ и с демпфированием. Позже Гилберт изменил термин затухания, который в пределе малого затухания дает идентичные результаты. Уравнение ЛЛГ:

${\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,=\,-\gamma \,{\textbf {m}}\times {\textbf {H}}_{\mathrm {eff} }\,+\,\alpha \,{\textbf {m}}\times {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,.\qquad$

Константа $\alpha$ - феноменологический параметр затухания Гилберта, зависящий от твердого тела, а $\gamma$ электрона гиромагнитное отношение . Здесь ${\textbf {m}}={\textbf {M}}/{\mathrm {M} _{S}}\,.$

Исследования в области магнетизма, как и вся современная наука, проводятся при симбиозе теоретических и экспериментальных подходов. Оба подхода идут рука об руку: эксперименты проверяют предсказания теории, а теория дает объяснения и предсказания новых экспериментов. Теоретическая часть фокусируется на численном моделировании и симуляциях, так называемом микромагнитном моделировании . Такие программы, как OOMMF или NMAG, представляют собой микромагнитные решатели, которые численно решают уравнение ЛЛГ с соответствующими граничными условиями. Перед началом моделирования указываются магнитные параметры образца, а также начальная намагниченность основного состояния и детали поля смещения.

Эксперимент

Экспериментально существует множество методов изучения магнитных явлений, каждый из которых имеет свои ограничения и преимущества. Экспериментальные методы можно разделить на методы во временной области (TR-MOKE с оптической и полевой накачкой), в полевой области ( ферромагнитный резонанс (ФМР)) и в частотной области (рассеяние света Бриллюэна (BLS), векторный анализатор цепей - ферромагнитный резонанс. (ВНА-ФМР)). Методы временной области позволяют косвенно отслеживать временную эволюцию намагниченности путем записи поляризационного отклика образца. О намагниченности можно судить по так называемому вращению Керра. Методы полевой области, такие как ФМР, усиливают намагниченность с помощью непрерывного микроволнового поля. Измерение поглощения микроволнового излучения образцом при изменении внешнего магнитного поля позволяет получить информацию о магнитных резонансах в образце. Важно отметить, что частота прецессии намагничивания зависит от силы приложенного магнитного поля. По мере увеличения напряженности внешнего поля увеличивается и частота прецессии. Методы частотной области, такие как VNA-FMR, исследуют магнитный отклик, вызванный возбуждением радиочастотным током, частота тока сканируется в диапазоне ГГц, и можно измерить амплитуду переданного или отраженного тока.

Современные сверхбыстрые лазеры обеспечивают фемтосекундное (фс) временное разрешение для методов во временной области; такие инструменты теперь являются стандартными в лабораторных условиях. TR-MOKE, основанный на магнитооптическом эффекте Керра , представляет собой метод накачки-зонда, при котором импульсный лазерный источник освещает образец двумя отдельными лазерными лучами. Луч «насоса» предназначен для возбуждения или выведения образца из равновесия. Он очень интенсивный и предназначен для создания крайне неравновесных условий внутри материала образца, возбуждая электрон и, следовательно, фонон и спиновую систему. Спин-волновые состояния при высоких энергиях возбуждаются и впоследствии заселяют нижележащие состояния на пути релаксации. Гораздо более слабый луч, называемый «зондовым», пространственно перекрывается с лучом накачки на поверхности магнонного материала. Пробный луч проходит по линии задержки, которая представляет собой механический способ увеличения длины пути зонда. При увеличении длины пути зонда он задерживается относительно луча накачки и позже достигает поверхности образца. Временное разрешение создается в эксперименте путем изменения расстояния задержки. По мере изменения положения линии задержки измеряются свойства отраженного луча. Измеренное керровское вращение пропорционально динамической намагниченности при распространении спиновых волн в среде. Временное разрешение ограничено только временной шириной лазерного импульса. Это позволяет соединить сверхбыструю оптику с локальным спин-волновым возбуждением и бесконтактным обнаружением в магнонных метаматериалах. фотомагоника .

С 2009 года конференции «Магноника» проводятся раз в два года. Следующая конференция состоится в июле-августе 2025 года в Кала Миллор, Майорка, Испания.

Внешние ссылки

• «Подвиньтесь, спинтроника, вот и магноника на помощь электронике» . IEEE Spectrum: Новости технологий, техники и науки . Проверено 17 апреля 2017 г.