Oscillation cohérente entre phonons et magnons

Notion d'oscillation cohérente entre phonons et magnons, et microscopie magnéto-optique résolue en temps. (a) Une illustration schématique des phonons et des magnons, (b) Une illustration schématique de l'oscillation cohérente entre les phonons et les magnons. ( c ) Les courbes de dispersion du phonon et du magnon dans le grenat de fer et de lutétium (LuIG). (d) Une vue agrandie autour de A sur la figure 1c. Les courbes noires représentent la relation de dispersion du polaron hybride magnon-phonon, tandis que les courbes en pointillés rouges et bleus représentent la relation de dispersion des magnons purs et des phonons acoustiques transversaux, respectivement. (e) Configuration optique pour la microscopie magnéto-optique résolue en temps avec le temps de retard prolongé. La dynamique d'aimantation excitée est détectée via l'angle de rotation de polarisation de l'impulsion laser de la sonde induite par l'effet Faraday magnéto-optique dans l'échantillon. La détection est effectuée par une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD). ( f ) Image magnéto-optique observée 3, 5 ns après l'irradiation par impulsion de pompe sous le champ magnétique externe B = 11, 5 mT parallèle au vecteur d'onde des magnons excités. g, Spectre de nombre d'onde des images magnéto-optiques obtenues observées 3,5 ns après l'excitation (B = 11,5 mT). L'encart montre une vue agrandie. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00888-1

Deux ondes différentes avec la même fréquence et les mêmes longueurs d'onde peuvent être couplées, de sorte que l'amplitude alterne périodiquement entre les deux pour former un phénomène connu sous le nom d'oscillation de battement cohérente. Le processus peut être observé souvent avec un pendule couplé et à l'échelle cosmique sous forme d'oscillations de neutrinos qui se produisent en raison de fluctuations entre divers neutrinos. Les solides peuvent également maintenir diverses excitations ondulatoires pour contribuer à leurs propriétés thermiques et électromagnétiques.

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature Communications Physics , Tomosato Hioki et une équipe de scientifiques en recherche sur les matériaux et en physique appliquée à l'Université de Tohoku et à l'Université de Tokyo au Japon, ont décrit des battements cohérents observés entre différentes espèces d'excitation dans un solide, à savoir les phonons - l'énergie mécanique vibrationnelle quantique, et les magnons - un quasiparticule représentant l'excitation collective de la structure de spin de l'électron. L'équipe a utilisé la microscopie magnéto-optique résolue en temps pour montrer comment les magnons générés dans un composé disparaissaient progressivement en se transférant aux phonons, pour ensuite revenir sous forme de magnons après un certain temps. La période d'oscillation correspondait au battement magnon-phonon. Les scientifiques prévoient que les résultats expérimentaux ouvriront la voie à un contrôle cohérent des systèmes magnon-phonon dans les solides.

Interactions phonon-magnon dans le grenat de fer lutétium

Les phonons sont des ondes vibrationnelles d'un réseau cristallin solide responsables de l'élasticité et des propriétés thermiques des solides. Les magnons ou ondes de spin sont à l'inverse représentatifs d'un mouvement ondulatoire d'aimantation, présent dans les aimants responsables de leurs propriétés magnétiques et thermiques. Ces deux particules peuvent interagir au sein des solides via des couplages magnéto-élastiques et magnéto-statiques. La dynamique des particules est fournie dans les courbes de dispersion de chaque système pour montrer la relation entre le nombre d'onde et la fréquence. Les scientifiques ont enregistré les courbes de dispersion des phonons acoustiques transversaux et des magnons dans un film d'un isolant typique tel que le grenat de fer lutétium. De telles courbes de dispersion des particules de phonon et de magnon maintiennent une intersection autour de laquelle un état hybride magnon-phonon peut être formé. Les chercheurs ont découvert que cet état présentait une durée de vie extrêmement longue, bien supérieure à celle des magnons purs en raison de l'hybridation avec des phonons qui conservent une longue durée de vie.

Observation de l'oscillation cohérente magnon-phonon. (a) Évolution temporelle de la partie réelle de F~k(t) à kx = kTA sous le champ magnétique B = 11,5 mT parallèle à k, où kTA désigne le nombre d'onde du point d'intersection entre les relations de dispersion de l'acoustique transverse (TA ) phonons et magnons. Les triangles inversés rouges indiquent t = 15 ns, 20 ns et 25 ns après l'irradiation par impulsion de pompe. (b) Un spectre de puissance de fréquence de F~k(t) à kx = kTA. Les cercles remplis de bleu représentent l'intensité du spectre obtenue expérimentalement, tandis que la courbe grise représente la courbe d'ajustement. Le triangle rouge inversé met en évidence les pics. Les erreurs des données sont évaluées comme un écart type, qui est plus petit que le tracé des données. (c) Courbes de dispersion théoriquement calculées des polarons de magnon autour de kx = kTA et ky = 0, où nous utilisons l'énergie d'anisotropie cristalline Kc = 73,0 [J ⋅ m−3], l'énergie d'anisotropie uniaxiale Ku = −767,5 [J ⋅ m−3 ], aimantation à saturation Ms = 14,8 [kA ⋅ m−1], vitesse des phonons LA vLA = 6,51 [km ⋅ s−1], vitesse des phonons TA vTA = 3,06 [km ⋅ s−1] et constante de couplage magnon-phonon b2 = 1,8 × 105 [J ⋅ m−3]. Les courbes pleines noires représentent les courbes de dispersion des polarons magnon, tandis que les courbes en pointillés bleu et rouge représentent respectivement les phonons et magnons TA purs. (d) Évolution temporelle de la partie réelle de F~k(t) à kx = kLA sous le champ magnétique B = 11,5 mT parallèle à k, où kLA désigne le nombre d'onde du point d'intersection entre les relations de dispersion de l'acoustique longitudinale (LA ) phonons et magnons. (e) Un spectre de puissance de fréquence de F~k(t) à kx = kLA. Les cercles remplis de noir représentent l'intensité du spectre obtenue expérimentalement, tandis que la courbe grise représente la courbe d'ajustement. Les erreurs des données sont évaluées comme un écart type, qui est plus petit que le tracé des données. (f) Courbes de dispersion théoriquement calculées des polarons de magnon autour de kx = kLA. La ligne grise et la courbe rouge représentent les courbes de dispersion des phonons LA et des magnons, respectivement. (g) Évolution temporelle de la partie réelle de F~k(t) à kx = kTA sous le champ magnétique B = 11,5 mT perpendiculaire à k. (h) Évolution temporelle de la partie réelle de F~k(t) à kx = kLA sous le champ magnétique B = 11,5 mT perpendiculaire à k. (i), Images magnéto-optiques prises à différents temps de retard. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00888-1

Les physiciens ont confirmé la durée de vie prolongée du grenat de fer lutétium, tout en mesurant la conversion spin-chaleur, même à température ambiante. Les chercheurs s'attendent à observer simultanément une superposition cohérente qui forme une oscillation de battement correspondante entre les phonons et les magnons. Dans ce travail, Hioki et al ont décrit l'observation de battements cohérents entre deux phonons et magnons dans le grenat de fer lutétium. L'équipe a utilisé la microscopie magnéto-optique résolue en temps et mesuré la dynamique de magnétisation. Ils ont trouvé le battement cohérent jusqu'à des dizaines de nanosecondes et ont confirmé expérimentalement un couplage fort entre les magnons et les phonons dans le film nu de grenat de fer lutétium, abrégé en LUIG.

La configuration expérimentale

Hioki et al ont exploré les oscillations de battement dans les solides en développant le microscope magnéto-optique résolu en temps. Au cours des expériences, ils ont utilisé un film mince de LUIG d'une épaisseur de 1,8 µm, avec de grands effets magnéto-optiques et un faible amortissement de l'aimantation. L'équipe a excité la dynamique de magnétisation en focalisant une lumière laser pulsée avec une longueur d'onde de 800 nm dans l'échantillon, ce qui correspondait à près de la moitié de l'énergie de la bande interdite de LUIG. La pompe a excité l'onde de spin ou les magnons via une démagnétisation photo-induite et une expansion photo-induite. Les scientifiques ont excité sélectivement le magnon perpendiculairement à la ligne verticale en utilisant les interférences Huygens-Fresnel. Par la suite, ils ont utilisé une autre impulsion lumineuse faible, connue sous le nom d'impulsion de sonde sur l'échantillon avec une longueur d'onde de 630 nm, et ont mesuré la distribution spatiale de la rotation Faraday magnéto-optique de l'impulsion de sonde transmise à travers l'échantillon via une caméra. L'équipe a résolu la fréquence de l'écart magnon-phonon dans l'échantillon au cours des expériences.

Nombre d'onde et dépendance du champ de l'oscillation cohérente magnon-phonon. ( a ) Spectre de fréquence Fk (ω) observé à B = 11, 5 mT autour de l'intersection des courbes de dispersion des magnons et des phonons acoustiques transverses (TA). ( b ) Comparaison entre l'écart obtenu expérimentalement entre la branche supérieure et la branche inférieure du spectre à B = 11, 5 mT et le calcul théorique de la fréquence de l'écart. Les barres d'erreur représentent l'écart type. ( c ) Spectre de fréquence Fk (ω) observé à B = 13, 0 mT autour de l'intersection des courbes de dispersion du magnon et du phonon TA. ( d ) Comparaison entre l'écart obtenu expérimentalement entre la branche supérieure et la branche inférieure du spectre de fréquences à B = 13, 0 mT et le calcul théorique de la fréquence d'écart. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00888-1

Oscillations cohérentes entre phonons et magnons

L'équipe a obtenu un angle de rotation de polarisation après irradiation par impulsion de pompe, où des motifs d'ondes verticales sont apparus à proximité du foyer de l'impulsion de pompe pour démontrer l'excitation magnon de l'appareil. Ils ont confirmé que la rotation de polarisation était due à l'effet Faraday magnéto-optique. Les résultats ont montré le développement de polarons de magnon à l'intersection des courbes de dispersion des magnons et des phonons après irradiation par impulsion de pompe. Hioki et al ont directement mesuré les magnons purs par microscopie pour montrer le signal oscillant périodiquement en fonction du temps avec la fréquence des magnons.

Ils ont ensuite mesuré la rotation de Faraday magnéto-optique et montré la disparition du signal lorsque les magnons se sont transformés en phonons. Les oscillations observées impliquaient des battements périodiques entre magnons et phonons dans le domaine temporel. L'équipe a en outre démontré les oscillations de battement cohérentes dans l'espace réel via le changement opportun du modèle d'onde excité par l'impulsion de pompe. Ils ont discuté des spectres d'excitation des magnons et de la fréquence d'oscillation cohérente, ainsi que de la fréquence angulaire à l'intersection entre les courbes de distribution des magnons et des phonons. Les résultats ont montré un bon accord avec les calculs théoriques.

Ajustement des paramètres d'oscillation cohérente. (a) Évolution temporelle obtenue expérimentalement de |F~k(t)|2 à B = 11,5 mT. (b) Évolution temporelle calculée de l'amplitude du magnon |a~k(t)|2. (c) Évolution temporelle de |F~k(t)|2 à différents nombres d'onde. Les courbes grises représentent les courbes d'ajustement selon l'équation. (3) décrit dans l'étude. Les erreurs des données sont évaluées comme un écart type, qui est plus petit que le tracé des données. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00888-1

Calcul numérique de l'intensité d'excitation du magnon. (a) Carte thermique de G(r). σx et σy sont réglés pour réaliser une excitation d'onde plane du polaron magnon (σx = 40 nm, σy = 40 nm). (b) Evolution temporelle de l'intensité d'excitation f(t). ( c ) Carte thermique de l'intensité du spectre calculée selon l'équation. (ts = 1,5 ns, te = 1,6 ns, σt = 0,3 ns). L'intensité du spectre atteint son maximum au croisement de la dispersion entre le phonon acoustique transverse (TA) et le magnon, reproduisant les résultats expérimentaux. Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00888-1

Perspectives

De cette manière, Tomosato Hioki et ses collègues ont mesuré numériquement l'évolution temporelle de l'amplitude du magnon en calculant la transformée de Fourier de l'amplitude spectrale du magnon. L'équipe a considéré que la dynamique couplée entre les phonons acoustiques transversaux et les magnons était pertinente pour l'oscillation observée. Pour comprendre les résultats expérimentaux, Hioki et al ont attribué la grande coopérativité au petit amortissement magnétique intrinsèque et au facteur de qualité élevé des phonons dans les cristaux de grenat. Les scientifiques ont encore amélioré le couplage magnon-phonon dans le film en fabriquant des cristaux phononiques ou magnoniques à partir du film plan, pour faciliter le contrôle des magnons dans les circuits et dispositifs magnoniques. Les oscillations cohérentes magnon-phonon présentées fournissent une plate-forme pour étudier la dynamique des systèmes couplés, pour réguler les propriétés magnétiques et élastiques dans une variété de matériaux magnétiques. + Explorer plus loin