Исследователи из Университета ИТМО совместно с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком предложили новый способ изучать сверхбыструю динамику намагниченности в магнитных материалах с помощью низкочастотных сигналов. Метод позволит увидеть процессы, труднодоступные для наблюдения другими способами. Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и Российским научным фондом, опубликована в журнале Physical Review Letters.
Фото: sakkmesterke / Фотобанк Фотодженика
Магнитные материалы широко используются в устройствах: их можно встретить в трансформаторах, электродвигателях, датчиках, бытовой и медицинской технике и устройствах памяти. Ключевое отличие таких материалов от других — ненулевая намагниченность внутри структуры. Понимание того, как устроены ферромагнетики и антиферромагнетики, стало важным достижением квантовой физики XX века, однако новые исследования и открытия совершаются до сих пор.
Для быстродействия устройств, основанных на магнитных материалах, важно, чтобы намагниченность структуры могла быстро переключаться. Это свойство изучает специальное направление физики — сверхбыстрый магнетизм. Традиционно для «переключения» намагниченности материал облучают светом с частотой, большей, чем частота колебаний намагниченности. Но если намагниченность и так быстро меняется — у некоторых материалов она лежит в терагерцовой области (10¹² Гц) — этот подход почти перестает работать. Исследователи ИТМО в соавторстве с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком предложили новый взгляд на решение проблемы.
«Представьте, что вы смотрите на вращающийся диск с белыми и черными полями. Если диск крутится медленно, вы успеваете различать контрастные области. Если же он вращается быстро, все сливается в сплошное серое поле, и различить участки разного цвета нельзя. При этом неважно, смотрите вы на диск глазами или, скажем, камерой. Важно только соотношение частоты вращения и характерных частот смены кадра, которые может воспринимать глаз или матрица камеры» — объясняет Максим Горлач, руководитель научного коллектива, ведущий научный сотрудник ИТМО. — «Образно говоря, идея нашей работы в том, что увидеть что-то помимо серого поля возможно, даже если диск вращается очень быстро».
Максим Горлач. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
Вместо вращающегося диска исследователи рассмотрели магнитный материал, в котором под действием импульса происходят сверхбыстрые колебания намагниченности. В отличие от классического метода, для наблюдения этих колебаний физики использовали электромагнитную волну малой амплитуды — проходя через магнитный материал, она отражается, преломляется и меняет состояние поляризации (то есть направление колебаний электрического поля). Анализируя прошедший и отраженный свет, можно получить информацию о колебаниях намагниченности.
«На первый взгляд кажется, что если колебания намагниченности происходят очень быстро по сравнению с частотой падающей волны, они никак не повлияют на ее распространение. Но это не так: расчеты показали, что быстрые колебания намагниченности можно приближенно заменить эффективным аксионным полем. Величина его зависит не только от амплитуды намагниченности, но и от начальной фазы колебаний. Это аксионное поле, в свою очередь, влияет на распространение электромагнитной волны и меняет ее поляризацию. В итоге становится возможным узнать начальную фазу колебаний намагниченности даже если используемый сигнал — низкочастотный», — рассказывает Леон Шапошников, магистрант ИТМО и первый автор статьи.
При этом электродинамика некоторых магнитных материалов описывается такими же уравнениями, как и для гипотетических частиц, впервые предложенных проф. Вильчеком - аксионов. В этом случае говорят об эффективном аксионном отклике.
Помимо вклада в сверхбыстрый магнетизм, идеи ученых из ИТМО дополняют еще одну область науки, возникшую совсем недавно, — временные метаматериалы:
«В последние годы экспериментаторы научились быстро изменять параметры искусственных сред — метаматериалов — во времени. И физика таких сред оказалась очень богатой. Например, в них может происходить усиление света. Механизм похож на раскачивание качелей с помощью наклонов в взмахов ногами. И в том и в другом случае происходит параметрический резонанс. Однако пересечение областей временных метаматериалов и сверхбыстрого магнетизма оставалось совершенно неисследованным. Как показывает наша работа, в этом направлении есть большие перспективы», — объясняет Эдуардо Барредо, аспирант ИТМО и второй автор статьи.
Кстати, ранее команда из ИТМО смогла впервые понять, как возникает эффективное аксионное поле в метаматериалах. Этот результат исследователи описывали в предыдущей статье, опубликованной в Physical Review B.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и Российским научным фондом.
