Учёные обнаружили эффект Раби-подобного расщепления в синтетических антиферромагнетиках

Схематическое изображение синтетического антиферромагнетика, двух режимов колебаний (оптического и акустического) и нелинейной связи магнонов между режимами (трёхмагнонное смешивание), приводящей к Раби-подобному расщеплению. Синие стрелки представляют векторы намагниченности (m1,2), а красные — их результирующие векторы. Авторы: A. Sud и др.

Синтетические антиферромагнетики — это искусственно созданные магнитные материалы, состоящие из чередующихся ферромагнитных слоёв с противоположно направленными магнитными моментами, разделённых немагнитной прослойкой. Эти материалы демонстрируют интересные паттерны намагниченности, характеризующиеся быстрыми изменениями поведения магнитных моментов под воздействием внешних сил, таких как радиочастотные (РЧ) токи.

Когда намагниченность каждого слоя в синтетических антиферромагнетиках возмущается внешней силой, его магнитные моменты начинают «прецессировать», то есть вращаться вокруг своего равновесного направления. Предыдущие исследования выявили два основных коллективных режима спиновых колебаний в таких материалах, влияющих на прецессию магнитных моментов.

Первый — акустический режим, характеризующийся синхронным вращением ферромагнитных слоёв в одном направлении и фазе. Второй — оптический режим, при котором слои вращаются в противоположных направлениях (один слой наклоняется вверх, другой — вниз).

Исследователи из Университета Тохоку и других институтов недавно провели исследование, чтобы глубже изучить взаимодействие между акустическим и оптическим режимами в синтетических антиферромагнетиках. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, сообщает о наблюдении явления, известного как Раби-подобное расщепление, которое указывает на обмен энергией между двумя режимами. Похоже, этот эффект возникает из-за нелинейных взаимодействий между тремя квазичастицами, называемыми магнонами.

«Эта работа появилась на стыке двух разных направлений исследований, — рассказал Phys.org Сигеми Мидзуками, один из ведущих авторов статьи. — Доктор Ааканкша Суд ранее изучала Раби-подобное расщепление из-за линейной связи режимов в синтетических антиферромагнетиках с использованием электрических методов при нарушении симметрии. В то же время мы с коллегами исследовали линейную и нелинейную динамику в аналогичных системах с помощью оптических методов. Это подняло ключевой вопрос: может ли сильная нелинейная связь возникать без нарушения симметрии?»

Чтобы ответить на этот вопрос, команда провела эксперимент, сочетающий методы электрического возбуждения с нелинейной динамикой. Для лучшего понимания наблюдений они сотрудничали с теоретическим физиком доктором К. Ямамото, который помог подтвердить, что наблюдаемое Раби-подобное расщепление действительно возникает из-за трёхмагнонных взаимодействий без нарушения симметрии.

«Мы использовали электрический метод, называемый РЧ-выпрямлением, который позволяет возбуждать динамику намагниченности в нелинейном режиме, — объяснил Мидзуками. — Применяя РЧ-ток к синтетическому антиферромагнетику (состоящему из двух антиферромагнитно связанных ферромагнитных слоёв), мы индуцировали магнитные резонансы и регистрировали создаваемые ими сигналы напряжения».

В ходе эксперимента исследователи возбуждали синтетический антиферромагнетик с помощью РЧ-тока, что вызывало колебания в его магнитных слоях. Приложенная радиочастота была равна половине резонансной частоты оптического режима, так как это позволяло реализовать нелинейное взаимодействие между акустическим и оптическим режимами.

В этих специфических условиях они обнаружили, что спектральный пик акустического режима расщепляется на два — явление, называемое Раби-подобным расщеплением. Этот эффект указывает на связь между акустическим и оптическим режимами.

«Наше ключевое открытие заключается в том, что Раби-подобное расщепление из-за нелинейной связи магнонов может происходить в симметричной системе без нарушения симметрии, — сказал Мидзуками. — Это показало, что одни лишь внутренние нелинейности могут гибридизировать магнонные режимы. Эти результаты открывают новые возможности для более глубокого понимания нелинейной динамики в конденсированных средах и создания электрически настраиваемых устройств на основе магнонов».

Результаты этого исследования могут проложить путь для дальнейших работ, направленных на изучение нелинейных взаимодействий и мультимодовой связи в синтетических антиферромагнетиках и других магнитных материалах. В будущем они также могут способствовать разработке новых настраиваемых магнитных и спинтронных устройств.

«Сейчас мы рассматриваем, как нелинейная связь влияет на распространяющиеся магноны, а не только на стоячие магнитные резонансы, продемонстрированные в этом исследовании, — добавил Мидзуками. — Это важно для дальнейшего понимания и потенциальных приложений на основе магнонов».

«Мы планируем разработать новые архитектуры устройств для управления распространением магнонов через дизайн материалов и нанофабрикацию, чтобы создать масштабируемые, энергоэффективные платформы для спинтроники и нейроморфных вычислений на основе нелинейной динамики магнонов», — добавила Суд.

Дополнительная информация: Electrically controlled nonlinear magnon-magnon coupling in a synthetic antiferromagnet. Physical Review Letters(2025). DOI: 10.1103/sc6y-rxbg.