Когерентность магнонов измерят с помощью кросс-корреляционного интерферометра

8 мая 2019
142

Физики предложили измерять когерентность магнонов с помощью аналога интерферометра Хэнбери Брауна — Твисса, который использует корреляции между сигналами детекторов, измеренных в разные моменты времени. Чтобы подтвердить работоспособность предложенного метода, исследователи теоретически рассчитали функции когерентности для магнонов, рождающихся при когерентном ферромагнитном резонансе и спиновом эффекте Зеебека. По оценкам ученых, реализовать такой эксперимент на практике можно в течение ближайших десяти лет.

В 1930 году немецкий физик Феликс Блох заметил, что размагничивание ферромагнетика можно объяснить с помощью квазичастиц-магнонов. Чтобы понять, что представляют собой эти квазичастицы, рассмотрим цепочку связанных спинов. В первом приближении спины взаимодействуют как обычные диполи, поэтому энергия их взаимодействия пропорциональна косинусу взаимного угла. Проще говоря, спинам выгодно выстроиться в одном и том же направлении. При низких температурах, когда тепловыми флуктуациями можно пренебречь, так и происходит, и вещество превращается в намагниченный ферромагнетик. Однако при повышении температуры один из спинов отклоняется от равновесного состояния, тянет за собой соседей и запускает волну, которая бежит по цепочке и последовательно переворачивает спины. Собственно, такую спиновую волну называют магноном. Чем выше температура, тем сильнее разупорядочиваются спины, и тем больше магнонов образуется в материале. В результате намагниченность вещества постепенно уменьшается, пока окончательно не пропадает при критической температуре. При этом намагниченность, теоретически рассчитанная для газа магнонов, хорошо согласуется с намагниченностью реальных ферромагнетиков.

Долгое время магноны были всего лишь математической уловкой, позволяющей удобно описывать низкотемпературные возбуждения ферромагнетиков, однако около двадцати лет назад им удалось найти практическое применение. После того, как физики научились аккуратно генерировать магноны и управлять их внутренним состоянием, оказалось, что эти квазичастицы можно использовать для обработки, хранения и передачи информации. Грубо говоря, в таких приборах магноны служат аналогами электронов. Интересно, что, в отличие от электронов, магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, то есть собираются в одном квантовом состоянии. Теоретически, это позволяет получить сверхтекучий спиновый ток и передатьинформацию без потери энергии. К сожалению, до сих пор физики не смогли проверить, сохраняется ли когерентность магнонов при движении через ферромагнетик, хотя и получили бозе-конденсат этих квазичастиц.

Хотя теоретически существование магнонов было обосновано почти 80 лет назад, точно измерить свойства этих квазичастиц физики до сих пор не смогли. Поэтому ученые до сих пор плохо понимают некоторые эффекты, связанные с магнонами. Например, в апреле 2017 года немецкие физики обнаружили, что магноны могут существовать при температуре значительно выше точки Кюри, когда магнитный порядок материала разрушается, и оно превращается в парамагнетик. Тем не менее, даже при отсутствии полного понимания спиновых волн исследователи уже научились применять их на практике. Например, в 2016 году японские ученые запустили нейросеть на основе спинтронного устройства, а в 2018 году российские физики построилиспиновый диод. Подробно прочитать про перспективы таких устройств можно в материале «Магнетизм электричества».