La división tipo Rabi surge de las interacciones no lineales entre magnones en un antiferromagneto sintético.

20 de julio de 2025      característica

por Ingrid Fadelli, Phys.org

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editado por                                      Gaby Clark, Andrew Zinin

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Los antiferromagnetos sintéticos son materiales magnéticos cuidadosamente diseñados compuestos por capas ferromagnéticas alternas con momentos magnéticos alineados de manera opuesta, separadas por un espaciador no magnético. Estos materiales pueden mostrar patrones de magnetización interesantes, caracterizados por cambios rápidos en el comportamiento de los momentos magnéticos en respuesta a fuerzas externas, como las corrientes de radiofrecuencia (RF).

Cuando la magnetización de cada capa en los antiferromagnetos sintéticos es perturbada por una fuerza externa, sus momentos magnéticos comienzan a 'precesar', o en otras palabras, a rotar alrededor de su dirección de equilibrio. Estudios previos han identificado dos modos primarios de oscilación de espín colectivo en los antiferromagnetos sintéticos, influyendo en cómo precesan los momentos magnéticos.

El primero es el modo acústico, caracterizado por la rotación sincronizada de capas ferromagnéticas en la misma dirección y fase. El segundo es el modo óptico, en el que las capas ferromagnéticas rotan en direcciones opuestas (es decir, una capa magnética se inclina hacia arriba y la otra hacia abajo).

Investigadores de la Universidad de Tohoku y otros institutos recientemente llevaron a cabo un estudio para investigar aún más la interacción entre los modos acústico y óptico en los antiferromagnetos sintéticos. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, informa la observación de un fenómeno conocido como división similar a Rabi que sugiere un intercambio de energía entre los dos modos, que parece surgir de interacciones no lineales entre tres cuasipartículas conocidas como magnones.

'Este trabajo surgió de la convergencia de dos direcciones de investigación distintas', dijo Shigemi Mizukami, coautor principal del artículo, a Phys.org. 'La Dra. Aakanksha Sud había estudiado previamente la división similar a Rabi debido al acoplamiento de modos lineales en antiferromagnetos sintéticos utilizando métodos eléctricos bajo simetría rota.

'Paralelamente, mis colegas y yo habíamos estado investigando dinámicas lineales y no lineales en sistemas similares utilizando técnicas completamente ópticas. Esto nos planteó una pregunta clave: ¿puede surgir un acoplamiento no lineal fuerte sin romper la simetría?'

Para responder a esta pregunta de investigación, el equipo realizó un experimento que combinaba técnicas de excitación eléctrica con dinámicas no lineales. Para comprender mejor sus observaciones, colaboraron con el físico teórico Dr. K. Yamamoto, quien les ayudó a confirmar que la división clara similar a Rabi que observaron surgió de interacciones de tres magnones sin romper la simetría.

'Utilizamos una técnica eléctrica llamada rectificación de RF, que nos permite excitar dinámicas de magnetización en un régimen no lineal', explicó Mizukami. 'Al aplicar una corriente de RF a un antiferromagneto sintético, compuesto por dos capas ferromagnéticas acopladas antiferromagnéticamente, indujimos resonancias magnéticas y monitoreamos la señal de voltaje que producían.'

Como parte de su experimento, los investigadores excitaban un antiferromagneto sintético utilizando una corriente de RF, lo que inducía oscilaciones en sus capas magnéticas. La RF que aplicaron tenía una frecuencia de conducción igual a la mitad de la frecuencia de resonancia del modo óptico, ya que esto permitía interacciones no lineales entre los modos acústico y óptico.

Bajo estas condiciones específicas, encontraron que el pico espectral del modo acústico se dividía en dos, un fenómeno referido como división similar a Rabi. Este fenómeno sugiere un acoplamiento entre los modos acústico y óptico.

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'Nuestro hallazgo clave es que la división similar a Rabi debido al acoplamiento no lineal de magnones puede ocurrir en un sistema simétrico, sin depender de la rotura de simetría', dijo Mizukami. 'Esto reveló que las no linealidades intrínsecas pueden hibridizar modos de magnones. Estos resultados abren nuevas oportunidades para contribuir a una comprensión más amplia de las dinámicas no lineales en sistemas de materia condensada y aplicaciones basadas en magnones eléctricamente ajustables.'

Los resultados de este estudio reciente podrían allanar el camino para futuras investigaciones destinadas a explorar interacciones no lineales y acoplamientos multimodo en antiferromagnetos sintéticos y otros materiales magnéticos. En el futuro, también podrían contribuir al desarrollo de nuevos dispositivos magnéticos ajustables y espintrónicos. "Ahora estamos considerando cómo el acoplamiento no lineal afecta a los magnones propagantes, no solo a las resonancias magnéticas estacionarias demostradas en este estudio, para una mayor comprensión y con miras a posibles aplicaciones basadas en los magnones," agregó Mizukami. "Planeamos desarrollar nuevas arquitecturas de dispositivos para controlar la propagación de magnones a través del diseño de materiales y la nanofabricación, para crear plataformas escalables y de bajo consumo para la informática espintrónica y neuromórfica basadas en la dinámica no lineal de los magnones," añadió Sud. Escrito para ti por nuestra autora Ingrid Fadelli, editado por Gaby Clark y verificado por Andrew Zinin, este artículo es el resultado de un cuidadoso trabajo humano. Confiamos en lectores como tú para mantener viva el periodismo científico independiente. Si esta información es importante para ti, considera hacer una donación (especialmente mensual). Obtendrás una cuenta sin publicidad como agradecimiento. Más información: Acoplamiento no lineal de magnones en un antiferromagneto sintético controlado eléctricamente. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/sc6y-rxbg. Información de la revista: Physical Review Letters © 2025 Science X Network