Rabi-liknande uppdelning uppstår från icke-linjära interaktioner mellan magnoner i syntetiska antiferromagneter.

20 juli 2025

av Ingrid Fadelli, Phys.org

bidragande författare

redigerad av Gaby Clark, granskad av Andrew Zinin

vetenskaplig redaktör

huvudredaktör

Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper medan de säkerställt trovärdigheten i innehållet:

faktakontrollerad

peer-reviewed publikation

pålitlig källa

korrekturläst

Syntetiska antiferromagneter är noggrant konstruerade magnetiska material som består av växlande ferromagnetiska skikt med magnetiska moment som är motsatt riktade, separerade av en icke-magnetisk mellanrum. Dessa material kan uppvisa intressanta magnetiseringsmönster, kännetecknade av snabba förändringar i beteendet hos magnetiska moment som svar på yttre krafter, såsom radiofrekvensströmmar (RF).

När magnetiseringen i varje skikt i syntetiska antiferromagneter störs av en yttre kraft börjar dess magnetiska moment 'precessera,' eller med andra ord, rotera kring sin jämviktsriktning. Tidigare studier har identifierat två primära kollektiva spin-oscillationslägen i syntetiska antiferromagneter, vilket påverkar hur magnetiska moment precesserar.

Det första är det akustiska läget, kännetecknat av den synkroniserade rotationen av ferromagnetiska skikt i samma riktning och fas. Det andra är det optiska läget, där ferromagnetiska skikt roterar åt olika håll (dvs. med ett skikts magnetisering som tippar uppåt och det andra nedåt).

Forskare vid Tohoku University och andra institut genomförde nyligen en studie för att ytterligare undersöka interaktionen mellan de akustiska och optiska lägena i syntetiska antiferromagneter. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, rapporterar observationen av ett fenomen som kallas Rabi-liknande uppdelning som antyder en utbytelse av energi mellan de två lägena, vilket tycks komma från icke-linjära interaktioner mellan tre kvasipartiklar kända som magnoner.

'Det här arbetet uppstod från sammanflödet av två distinkta forskningsinriktningar,' berättade Shigemi Mizukami, medförfattare till artikeln, för Phys.org. 'Dr. Aakanksha Sud hade tidigare studerat Rabi-liknande uppdelningar på grund av linjär lägkoppling i syntetiska antiferromagneter med hjälp av elektriska metoder under bruten symmetri.

'Samtidigt hade jag och mina kollegor undersökt linjär och icke-linjär dynamik i liknande system med hjälp av helt optiska tekniker. Detta väckte en nyckelfråga för oss: kan starka icke-linjära kopplingar uppstå utan att bryta symmetri?'

För att svara på den här forskningsfrågan utförde teamet en experiment som kombinerade elektriska exciteringstekniker med icke-linjär dynamik. För att bättre förstå sina iakttagelser samarbetade de med teoretisk fysiker Dr. K. Yamamoto, som hjälpte dem att bekräfta att den tydliga Rabi-liknande uppdelningen de observerade uppstod från interaktioner mellan tre magnoner utan att bryta symmetri.

'Vi använde en elektrisk teknik som kallas RF-likriktning, vilket möjliggör att vi kan excitera magnetiseringsdynamik i ett icke-linjärt förlopp,' förklarade Mizukami. 'Genom att applicera en RF-ström på en syntetisk antiferromagnet - bestående av två antiferromagnetiskt kopplade ferromagnetiska skikt - inducerade vi magnetiska resonanser och övervakade den spänningsökning de producerade.'

I deras experiment exciterade forskarna en syntetisk antiferromagnet med en RF-ström, vilket inducerade svängningar i dess magnetiska skikt. RF som de applicerade hade en förarkfrekvens som var lika med hälften av resonansfrekvensen för det optiska läget, eftersom detta möjliggjorde icke-linjära interaktioner mellan de akustiska och optiska lägena.

Under dessa specifika förhållanden fann de att spektraltoppen för det akustiska läget delades upp i två, ett fenomen som kallas Rabi-liknande uppdelning. Detta fenomen antyder en koppling mellan de akustiska och optiska lägena.

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - dagligen eller veckovis.

'Vårt huvudfynd är att Rabi-liknande uppdelningar på grund av icke-linjär magnonkoppling kan uppstå i ett symmetriskt system, utan att förlita sig på symmetribrott,' sa Mizukami. 'Detta avslöjade att intrinsiska icke-linjäriteter ensamma kan hybridisera magnonlägen. Dessa resultat öppnar nya möjligheter att bidra till en bredare förståelse för icke-linjär dynamik i kondenserade ämnessystem och elektriskt styrda magnonbaserade applikationer.'

Resultaten av denna nyligen genomförda studie kan banvägen för vidare forskning som syftar till att utforska icke-linjära interaktioner och multi-mode-kopplingar i syntetiska antiferromagneter och andra magnetiska material. I framtiden kan de också bidra till utvecklingen av nya justerbara magnetiska och spintroniska enheter. "Vi funderar nu på hur icke-linjär koppling påverkar propagerande magnoner, inte bara stående magnetiska resonanser som visas i denna studie, för ytterligare förståelse och med tanke på potentiella tillämpningar baserade på magnoner," tillade Mizukami. "Vi planerar att utveckla nya enhetsarkitekturer för att kontrollera magnonpropagation genom materialdesign och nanotillverkning, för att skapa skalbara, lågströmsplattformar för spintronisk och neuromorfisk datorkunskap baserad på icke-linjär magnondynamik," tillade Sud. Skrivet för dig av vår författare Ingrid Fadelli, redigerad av Gaby Clark, och faktakontrollerad och granskad av Andrew Zinin—den här artikeln är resultatet av noggrant mänskligt arbete. Vi förlitar oss på läsare som dig för att hålla oberoende vetenskapsjournalistik vid liv. Om denna rapportering betyder något för dig, vänligen överväg en donation (särskilt månatlig). Du får ett annonsfritt konto som tack. Mer information: Elektriskt kontrollerad icke-linjär magnon-magnon-koppling i en syntetisk antiferromagnet. Physical Review Letters(2025). DOI: 10.1103/sc6y-rxbg. Tidskriftsinformation: Physical Review Letters © 2025 Science X Network