Rabi-artige Aufspaltung entsteht aus nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Magnonen in einem synthetischen Antiferromagneten

20. Juli 2025 Feature

Von Ingrid Fadelli, Phys.org

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Bearbeitet von Gaby Clark, überprüft von Andrew Zinin

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Synthetische Antiferromagneten sind sorgfältig konstruierte magnetische Materialien, die aus abwechselnden ferromagnetischen Schichten mit entgegengesetzt ausgerichteten magnetischen Momenten, getrennt durch einen nicht-magnetischen Abstandshalter, bestehen. Diese Materialien können interessante Magnetisierungsmuster aufweisen, die sich durch schnelle Änderungen im Verhalten der magnetischen Momente als Reaktion auf externe Kräfte wie Hochfrequenz (HF)-Ströme charakterisieren.

Wenn die Magnetisierung jeder Schicht in synthetischen Antiferromagneten durch eine externe Kraft gestört wird, beginnen ihre magnetischen Momente zu 'präzedieren', oder mit anderen Worten, sich um ihre Gleichgewichtsrichtung zu drehen. Frühere Studien haben zwei primäre kollektive Spin-Oszillationsmodi in synthetischen Antiferromagneten identifiziert, die beeinflussen, wie magnetische Momente präzedieren.

Der erste ist der akustische Modus, der durch die synchronisierte Rotation der ferromagnetischen Schichten in derselben Richtung und Phase gekennzeichnet ist. Der zweite ist der optische Modus, bei dem die ferromagnetischen Schichten in entgegengesetzte Richtungen rotieren (d.h. mit einer Schicht, bei der die Magnetisierung nach oben zeigt, und der anderen nach unten).

Forscher der Universität Tohoku und anderer Institute führten kürzlich eine Studie durch, um die Wechselwirkung zwischen dem akustischen und optischen Modus in synthetischen Antiferromagneten genauer zu untersuchen. Ihr Beitrag, der in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, berichtet über die Beobachtung eines Phänomens namens Rabi-ähnliche Aufspaltung, das auf einen Energieaustausch zwischen den beiden Moden hinweist, der aus nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen drei Quasiteilchen, den sogenannten Magnonen, zu resultieren scheint.

'Diese Arbeit entstand aus der Konvergenz von zwei unterschiedlichen Forschungsrichtungen', sagte Shigemi Mizukami, Co-Hauptautor des Beitrags, zu Phys.org. 'Dr. Aakanksha Sud hatte zuvor die Rabi-ähnliche Aufspaltung aufgrund linearer Modenkopplung in synthetischen Antiferromagneten unter Verwendung elektrischer Methoden unter gebrochener Symmetrie untersucht.

'Parallel dazu hatten meine Kollegen und ich lineare und nichtlineare Dynamiken in ähnlichen Systemen unter Verwendung von alles-optischen Techniken untersucht. Dies warf für uns eine Schlüsselfrage auf: Kann eine starke nichtlineare Kopplung auftreten, ohne die Symmetrie zu brechen?'

Um diese Forschungsfrage zu beantworten, führte das Team ein Experiment durch, das elektrische Anregungstechniken mit nichtlinearer Dynamik kombinierte. Um ihre Beobachtungen besser zu verstehen, arbeiteten sie mit dem theoretischen Physiker Dr. K. Yamamoto zusammen, der ihnen half, zu bestätigen, dass die eindeutige Rabi-ähnliche Aufspaltung, die sie beobachtet hatten, aus drei-Magnonen-Wechselwirkungen ohne die Symmetrie zu brechen, resultierte.

'Wir haben eine elektrische Technik namens HF-Gleichrichtung verwendet, die es uns ermöglichte, Magnetisierungsdynamik in einem nichtlinearen Bereich anzuregen', erklärte Mizukami. 'Durch Anlegen eines HF-Stroms an einen synthetischen Antiferromagneten - bestehend aus zwei antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten - haben wir magnetische Resonanzen angeregt und das Spannungssignal überwacht, das sie produzierten.'

Im Rahmen ihres Experiments regten die Forscher einen synthetischen Antiferromagneten mit einem HF-Strom an, der Oszillationen in seinen magnetischen Schichten hervorrief. Die von ihnen angewandte HF hatte eine Frequenz, die der Hälfte der Resonanzfrequenz des optischen Modus entsprach, da dies nichtlineare Wechselwirkungen zwischen dem akustischen und optischen Modus ermöglichte.

Unter diesen spezifischen Bedingungen stellten sie fest, dass der spektrale Höchstwert des akustischen Modus in zwei Teile aufgespalten war, ein Phänomen, das als Rabi-ähnliche Aufspaltung bezeichnet wird. Dieses Phänomen deutet auf eine Kopplung zwischen dem akustischen und optischen Modus hin.

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'Unsere wichtigste Erkenntnis ist, dass die Rabi-ähnliche Aufspaltung aufgrund der nichtlinearen Magnon-Kopplung in einem symmetrischen System auftreten kann, ohne die Symmetrie zu brechen', sagte Mizukami. 'Dies enthüllt, dass ausschließlich intrinsische Nichtlinearitäten Magnon-Moden hybridisieren können. Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, um zum besseren Verständnis nichtlinearer Dynamiken in kondensierten Materiesystemen und elektrisch abstimmbaren Magnon-basierten Anwendungen beizutragen.'

Die Ergebnisse dieser jüngsten Studie könnten den Weg für weitere Forschung bereiten, die darauf abzielt, nichtlineare Interaktionen und Multimodus-Kopplungen in synthetischen Antiferromagneten und anderen magnetischen Materialien zu erkunden. In Zukunft könnten sie auch zur Entwicklung neuer einstellbarer magnetischer und spintronischer Geräte beitragen. "Wir prüfen derzeit, wie nichtlineare Kopplungen sich auf sich ausbreitende Magnonen auswirken, nicht nur auf stehende magnetische Resonanzen, die in dieser Studie nachgewiesen wurden, um ein besseres Verständnis zu erlangen und mögliche Anwendungen basierend auf Magnonen zu erkennen," fügte Mizukami hinzu. "Wir planen, neue Gerätearchitekturen zu entwickeln, um die Ausbreitung von Magnonen durch Materialdesign und Nanofertigung zu steuern, um skalierbare, energiesparende Plattformen für spintronische und neuromorphe Berechnungen basierend auf nichtlinearer Magnondynamik zu schaffen," fügte Sud hinzu. Geschrieben für Sie von unserer Autorin Ingrid Fadelli, bearbeitet von Gaby Clark, und von Andrew Zinin faktengeprüft und überprüft – dieser Artikel ist das Ergebnis sorgfältiger menschlicher Arbeit. Wir verlassen uns auf Leser wie Sie, um den unabhängigen Wissenschaftsjournalismus am Leben zu halten. Wenn Ihnen dieser Bericht wichtig ist, erwägen Sie bitte eine Spende (insbesondere monatlich). Sie erhalten als Dank ein werbefreies Konto. Weitere Informationen: Elektrisch gesteuerte nichtlineare Magnon-Magnon-Kopplung in einem synthetischen Antiferromagneten. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/sc6y-rxbg. Journalinformationen: Physical Review Letters © 2025 Science X Network