Rabi-achtige splitsing ontstaat door niet-lineaire interacties tussen magnonen in synthetisch antiferromagneet.

20 juli 2025 functie

door Ingrid Fadelli, Phys.org

medewerker

geredigeerd door Gaby Clark, beoordeeld door Andrew Zinin

wetenschappelijk redacteur

hoofdredacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens Science X's redactionele proces en beleid. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

gefactcheckt

door vakgenoten beoordeelde publicatie

vertrouwde bron

gecorrigeerd

Synthetische antiferromagneten zijn zorgvuldig ontworpen magnetische materialen bestaande uit afwisselende ferromagnetische lagen met tegenovergesteld uitgelijnde magnetische momenten, gescheiden door een niet-magnetische tussenlaag. Deze materialen kunnen interessante magnetisatiepatronen vertonen, gekenmerkt door snelle veranderingen in het gedrag van magnetische momenten als reactie op externe krachten, zoals radiofrequente (RF) stromen.

Wanneer de magnetisatie van elke laag in synthetische antiferromagneten verstoord wordt door een externe kracht, beginnen de magnetische momenten te 'precesseren,' of anders gezegd, rond hun evenwichtsrichting te draaien. Uit eerdere studies bleken twee primaire collectieve spin-oscillatiemodi te bestaan in synthetische antiferromagneten, die van invloed zijn op hoe magnetische momenten precesseren.

De eerste is de akoestische modus, gekenmerkt door de gesynchroniseerde rotatie van ferromagnetische lagen in dezelfde richting en fase. De tweede is de optische modus, waarin ferromagnetische lagen in tegengestelde richtingen roteren (d.w.z. met de magnetisatie van de ene laag omhoog en de andere omlaag).

Onderzoekers aan de Universiteit van Tohoku en andere instituten voerden onlangs een studie uit om de interactie tussen de akoestische en optische modi in synthetische antiferromagneten verder te onderzoeken. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters, meldt de observatie van een fenomeen dat bekend staat als Rabi-achtige splitsing, wat wijst op een uitwisseling van energie tussen de twee modi, die lijkt voort te komen uit niet-lineaire interacties tussen drie quasi-deeltjes die bekend staan als magnonen.

'Dit werk is voortgekomen uit de samenvloeiing van twee afzonderlijke onderzoeksrichtingen,' aldus Shigemi Mizukami, co-senior auteur van de paper, aan Phys.org. 'Dr. Aakanksha Sud had eerder de Rabi-achtige splitsing bestudeerd als gevolg van lineaire moduskoppeling in synthetische antiferromagneten met behulp van elektrische methoden onder verbroken symmetrie.

'Parallel daaraan onderzochten mijn collega's en ik lineaire en niet-lineaire dynamica in soortgelijke systemen met behulp van volledig optische technieken. Dit bracht voor ons een belangrijke vraag naar voren: kan sterke niet-lineaire koppeling opkomen zonder de symmetrie te doorbreken?'

Om deze onderzoeksvraag te beantwoorden voerde het team een experiment uit dat elektrische excitatietechnieken combineerde met niet-lineaire dynamica. Om hun observaties beter te begrijpen, werkten ze samen met de theoretisch fysicus Dr. K. Yamamoto, die hen hielp te bevestigen dat de duidelijke Rabi-achtige splitsing die ze observeerden voortkwam uit drie-magnon interacties zonder de symmetrie te doorbreken.

'We gebruikten een elektrische techniek genaamd RF-rectificatie, waarmee we magnetisatiedynamica in een niet-lineair regime kunnen opwekken,' legde Mizukami uit. 'Door een RF-stroom toe te passen op een synthetische antiferromagneet—gemaakt van twee antiferromagnetisch gekoppelde ferromagnetische lagen—brachten we magnetische resonanties teweeg en monitor ten we de spanningsignalen die ze produceerden.'

Als onderdeel van hun experiment brachten onderzoekers een synthetische antiferromagneet in trilling met behulp van een RF-stroom, wat oscillaties veroorzaakte in de magnetische lagen. De RF die ze toepasten had een aandrijffrequentie gelijk aan de helft van de resonantiefrequentie van de optische modus, omdat dit niet-lineaire interacties tussen de akoestische en optische modi mogelijk maakte.

Onder deze specifieke omstandigheden ontdekten ze dat de spectrale piek van de akoestische modus werd gesplitst in twee, een fenomeen dat wordt aangeduid als Rabi-achtige splitsing. Dit fenomeen wijst op een koppeling tussen de akoestische en optische modi.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen—dagelijks of wekelijks.

'Onze belangrijkste bevinding is dat de Rabi-achtige splitsing als gevolg van niet-lineaire magnonkoppeling kan plaatsvinden in een symmetrisch systeem, zonder dat de symmetrie wordt doorbroken,' aldus Mizukami. 'Dit onthulde dat intrinsieke niet-lineariteiten alleen magnonmodi kunnen hybridiseren. Deze resultaten bieden nieuwe mogelijkheden voor een bredere kennis van niet-lineaire dynamica in gecondenseerde materiesystemen en elektrisch regelbare magnon-gebaseerde toepassingen.'

De resultaten van dit recente onderzoek zouden de weg vrij kunnen maken voor verder onderzoek gericht op het verkennen van niet-lineaire interacties en multi-mode koppeling in synthetische antiferromagneten en andere magnetische materialen. In de toekomst zouden ze ook kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe instelbare magnetische en spintronische apparaten. 'We onderzoeken nu hoe niet-lineaire koppeling van invloed is op voortplantende magnonen, niet alleen op staande magnetische resonanties zoals gedemonstreerd in dit onderzoek, voor een beter begrip en met het oog op potentiële toepassingen op basis van magnonen,' voegde Mizukami toe. 'We zijn van plan nieuwe apparaatarchitecturen te ontwikkelen om magnon voortplanting te controleren door middel van materiaalontwerp en nanofabricage, om schaalbare, energiezuinige platforms te creëren voor spintronische en neuromorfe computing op basis van niet-lineaire magnon dynamica,' voegde Sud toe. Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, geredigeerd door Gaby Clark, en gecontroleerd en gerecenseerd door Andrew Zinin - dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in leven te houden. Als dit verslag belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentievrije account als dank u. Meer informatie: Elektrisch gestuurde niet-lineaire magnon-magnon koppeling in een synthetische antiferromagneet. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/sc6y-rxbg. Tijdschrift informatie: Physical Review Letters © 2025 Science X Network