Рентгеновские методы раскрыли динамику спиновых волн в кристалле оксида меди

Учёные Института Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии выяснили, почему спиновые волны в антиферромагнитных материалах — в частности, в оксиде меди — сохраняют энергию дольше, чем можно было ожидать при сильной связи магнетизма с решёткой. Открытие сделано с помощью нового метода рентгеновской диагностики и опубликовано в журнале Nature Communications. Результаты могут изменить подход к разработке спинтронных устройств — технологий, использующих спиновые состояния электронов для обработки и передачи информации.

Что происходит внутри антиферромагнетика

Когда лазерный импульс попадает на кристалл оксида меди, он запускает цепочку событий на нескольких временных шкалах. Сначала — в течение фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) — возбуждённые электроны переворачивают магнитные спины, и в материале рождаются магноны, то есть кванты спиновых волн. Затем магноны рассеиваются в течение пикосекунд. Только через наносекунды магнонная энергия наконец передаётся фононам — квантам колебаний кристаллической решётки.

Исследователей заинтересовало, почему при сильном взаимодействии магнетизма с решёткой передача энергии занимает сравнительно много времени. Проект возглавил Хироки Уэда (PSI), первым автором статьи выступил Арнау Ромагера. Исследования проводились на лазере на свободных электронах SwissFEL (станция Furka) и синхротроне ESRF в Гренобле.

Новый метод: рентгеновское рассеяние с разрешением по времени и импульсу

Ключ к открытию — разработанная командой техника «time-resolved resonant diffuse scattering». Метод работает по схеме «накачка–зондирование»: оптический лазер возбуждает материал, затем рентгеновский импульс позволяет исследовать состояние системы после заданной задержки.

Скорость обмена энергией связана с различием дисперсионных кривых магнонов и фононов — зависимостей энергии от импульса. Эти особенности ограничивают эффективность передачи энергии между возбуждениями. Именно это несоответствие удерживает спиновые волны в возбуждённом состоянии значительно дольше ожидаемого.

Иерархия событий, зафиксированная новым методом:

• фемтосекунды: лазерный импульс возбуждает электроны → переворот спинов → рождение магнонов;
• пикосекунды: магноны рассеиваются по кристаллу;
• наносекунды: медленная передача энергии от магнонов к фононам при ограниченной эффективности обмена энергией;
• итог: разные этапы занимают существенно различающиеся промежутки времени.

Перспективы для спинтроники

Спинтроника — направление электроники, где носителем информации служит не заряд электрона, а его спин, — рассматривается как путь к снижению тепловыделения и энергопотребления. Для этого необходимо, чтобы спиновые волны распространялись как можно дольше, не теряя энергию.

Открытый механизм объясняет, почему антиферромагнетики вроде оксида меди особенно перспективны: их спиновые волны устойчивы не потому, что система искусственно защищена, а из-за особенностей взаимодействия магнитных возбуждений с колебаниями решётки. Это свойство можно целенаправленно использовать при конструировании новых материалов для спинтронных устройств, включая сверхбыстрые запоминающие элементы и процессоры нового поколения.

Читайте также: Упорядоченные дефекты кристаллов повысили прочность металлических сплавов.

Измерения в целом согласуются с квантово-кинетическими расчётами. Речь идёт о фундаментальном исследовании материала, а не об испытании готового процессора или доказанном сокращении энергопотребления вычислительной системы.