Магноника - Magnonics - Wikipedia

Магноника это новая область современной магнетизм, который можно рассматривать как подобласть современной физика твердого тела.^[1] Магноника сочетает в себе изучение волн и магнетизма. Его основная цель - исследовать поведение спиновые волны в элементах наноструктуры. По сути, спиновые волны представляют собой распространяющееся переупорядочение намагничивание в материале и возникают из прецессия из магнитные моменты. Магнитные моменты возникают из-за орбитального и вращение моменты электрона, чаще всего именно этот спиновый момент дает вклад в чистый магнитный момент.

Следуя за успехом современного жесткий диск, в настоящее время существует большой интерес к будущим магнитным хранилище данных и использование спиновых волн для таких вещей, как «магноническая» логика и хранение данных.^[2] По аналогии, спинтроника стремится использовать присущую спину степень свободы, чтобы дополнить уже успешное свойство заряда электрона, используемое в современных электроника. Современный магнетизм связан с дальнейшим пониманием поведения намагниченности в очень малых (субмикрометровых) масштабах длины и в очень быстрых (субнаносекундных) масштабах времени, а также в том, как это можно применить для улучшения существующих или создания новых технологий и вычислительных концепций. Было изобретено магнонное устройство крутящего момента, которое позже было усовершенствовано в Национальный университет Сингапура Отдел электротехники и вычислительной техники, основанный на таких потенциальных применениях, с результатами, опубликованными 29 ноября 2019 года в Наука.

Магнонный кристалл - это магнитный метаматериал с переменными магнитными свойствами. Как и у обычных метаматериалов, их свойства проистекают из геометрической структуры, а не непосредственно из их полосовой структуры или состава. Небольшие пространственные неоднородности создают эффективное макроскопическое поведение, приводящее к свойствам, которые не так легко найти в природе. Путем чередования параметров, таких как относительная проницаемость или намагничивание насыщения, существует возможность адаптировать «магнонный» запрещенные зоны в материале. Регулируя размер этой запрещенной зоны, только моды спиновых волн, способные пересекать запрещенную зону, смогут распространяться через среду, что приводит к избирательному распространению определенных частот спиновых волн.

Теория

Спиновые волны могут распространяться в магнитных средах с магнитным упорядочением, например ферромагнетики и антиферромагнетики. Частоты прецессии намагниченности зависят от материала и его магнитных параметров, обычно частоты прецессии находятся в диапазоне микроволн от 1 до 100 ГГц, обменные резонансы в определенных материалах могут даже видеть частоты до нескольких ТГц. Эта более высокая частота прецессии открывает новые возможности для аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Сами спиновые волны имеют групповые скорости порядка нескольких километров в секунду. В демпфирование спиновых волн в магнитном материале также вызывает затухание амплитуды спиновых волн с увеличением расстояния, то есть расстояние, на которое могут пройти свободно распространяющиеся спиновые волны, обычно составляет всего несколько десятков мкм. Затухание динамического намагничивания феноменологически объясняется постоянной затухания Гильберта в Уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта (Уравнение ЛЛГ), сам механизм потерь энергии до конца не изучен, но, как известно, микроскопически возникает из магнон -магнон рассеяние, магнон-фонон рассеяние и потери из-за вихревые токи. Уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта - этоуравнение движения 'для намагничивания. Все свойства магнитных систем, такие как приложенное поле смещения, обмен образца, анизотропия и дипольные поля, описываются с помощью «эффективного» магнитного поля, которое входит в уравнение Ландау – Лифшица – Гильберта. Изучение затухания в магнитных системах является постоянной темой современных исследований. Уравнение ЛЛ было введено в 1935 году Ландау и Лифшицем для моделирования прецессионного движения намагничивание ${\displaystyle \mathbf {M} }$ в твердом теле с эффективным магнитным полем ${\displaystyle \mathbf {H} _{\mathrm {eff} }}$ и с демпфированием.^[3] Позже Гилберт модифицировал демпфирующий член, который в пределе малого затухания дает идентичные результаты. Уравнение ЛЛГ:

${\displaystyle {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,=\,-\gamma \,{\textbf {m}}\times {\textbf {H}}_{\mathrm {eff} }\,+\,\alpha \,{\textbf {m}}\times {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,.\qquad }$

Постоянная ${\displaystyle \alpha }$ - феноменологический параметр затухания Гильберта и зависит от твердого тела, а ${\displaystyle \gamma }$ электрон гиромагнитное отношение. Здесь ${\displaystyle {\textbf {m}}={\textbf {M}}/{\mathrm {M} _{S}}\,.}$

Исследования в области магнетизма, как и вся остальная современная наука, проводятся в симбиозе теоретических и экспериментальных подходов. Оба подхода идут рука об руку, эксперименты проверяют предсказания теории, а теория дает объяснения и предсказания новых экспериментов. Теоретическая часть фокусируется на численном моделировании и симуляциях, так называемых микромагнитное моделирование. Такие программы, как OOMMF или NMAG, представляют собой микромагнитные решатели, которые численно решают уравнение ЛЛГ с соответствующими граничными условиями.^[4] Перед началом моделирования указываются магнитные параметры образца и детали начального основного состояния намагниченности и поля смещения.^[5]

Эксперимент

Экспериментально существует множество методов изучения магнитных явлений, каждый из которых имеет свои ограничения и преимущества.^{[нужна цитата ]} Экспериментальные методы можно отличить по область времени (TR-MOKE с оптической и полевой накачкой), полевой (ферромагнитный резонанс (FMR)) и частотная область методы (рассеяние света Бриллюэна (BLS), векторный анализатор цепей - ферромагнитный резонанс (VNA-FMR)). Методы временной области позволяют косвенно проследить временную эволюцию намагниченности путем регистрации поляризация ответ образца. О намагничивании можно судить по так называемому вращению Керра. Полевые методы, такие как FMR, обеспечивают намагничивание с помощью непрерывного микроволнового поля. Путем измерения поглощения микроволнового излучения через образец по мере изменения внешнего магнитного поля можно получить информацию о магнитных резонансах в образце. Важно отметить, что частота прецессии намагниченности зависит от силы приложенного магнитного поля. По мере увеличения напряженности внешнего поля увеличивается и частота прецессии. Методы частотной области, такие как VNA-FMR, исследуют магнитный отклик из-за возбуждения радиочастотным током, частота тока качается в диапазоне ГГц, и может быть измерена амплитуда передаваемого или отраженного тока.

Современное сверхбыстрые лазеры позволяют фемтосекундное (fs) временное разрешение для методов временной области, такие инструменты теперь являются стандартными в лабораторных условиях.^{[нужна цитата ]} На основе магнитооптический эффект Керра TR-MOKE - это метод накачки-зондирования, при котором импульсный лазерный источник освещает образец двумя отдельными лазерными лучами. Луч «накачки» предназначен для возбуждения или нарушения равновесия образца, он очень интенсивный и предназначен для создания крайне неравновесных условий в материале образца, возбуждая электрон, а следовательно, и фонон, и спиновую систему. Спин-волновые состояния с высокой энергией возбуждаются и затем заселяют нижележащие состояния во время их релаксационного пути. Гораздо более слабый луч, называемый «зондирующим» лучом, пространственно перекрывается с лучом накачки на поверхности магнонного материала. Зондирующий луч проходит по линии задержки, которая является механическим способом увеличения длины пробега зонда. При увеличении длины пути зонда он становится запаздывающим по отношению к лучу накачки и попадает на поверхность образца позже. Разрешение по времени строится в эксперименте путем изменения расстояния задержки. По мере изменения положения линии задержки измеряются свойства отраженного луча. Измеренное керровское вращение пропорционально динамической намагниченности при распространении спиновых волн в среде. Временное разрешение ограничено только временной шириной лазерного импульса. Это позволяет связать сверхбыструю оптику с локальным возбуждением спиновых волн и бесконтактным детектированием в магнонных метаматериалах. фотомагноника.^[6][7]

Рекомендации

1. Кругляк, В В; Демокритов, С О; Grundler, D (7 июля 2010 г.). «Магноника». Журнал физики D: Прикладная физика. 43 (26): 264001. Bibcode:2010JPhD ... 43z4001K. Дои:10.1088/0022-3727/43/26/264001.
2. Дутта, Сурав; Чанг, Соу-Чи; Кани, Никваш; Никонов, Дмитрий Е .; Манипатруни, Сасикантх; Янг, Ян А.; Наими, Азад (2015-05-08). «Энергонезависимое синхронизированное межсоединение спиновой волны для трубопроводов с наномагнитами за пределами КМОП». Научные отчеты. 5: 9861. Bibcode:2015НатСР ... 5Э9861Д. Дои:10.1038 / srep09861. ISSN  2045-2322. ЧВК  4424861. PMID  25955353.
3. Ландау, Л.; Лифшиц, Э. (1935 г.), «Теория дисперсии магнитной проницаемости в ферромагнитных телах», Phys. Z. Sowjetunion, 8, 153
4. Ди, К .; Feng, S. X .; Пираманаягам, С. Н .; Zhang, V. L .; Lim, H. S .; Ng, S.C .; Куок, М. Х. (7 мая 2015 г.). «Повышение спин-волновой невзаимности в магнонных кристаллах за счет синтетической антиферромагнитной связи». Научные отчеты. 5: 10153. Bibcode:2015НатСР ... 510153Д. Дои:10.1038 / srep10153. ЧВК  4423564. PMID  25950082.
5. Ma, F. S .; Lim, H. S .; Wang, Z. K .; Пираманаягам, С. Н .; Ng, S.C .; Куок, М. Х. (2011). «Микромагнитное исследование распространения спиновых волн в двухкомпонентных магнонных кристаллических волноводах». Письма по прикладной физике. 98 (15): 153107. Bibcode:2011АпФЛ..98o3107M. Дои:10.1063/1.3579531.
6. Ленк, Б .; Ulrichs, H .; Garbs, F .; Мюнценберг, М. (октябрь 2011 г.). «Строительные блоки магноники». Отчеты по физике. 507 (4–5): 107–136. arXiv:1101.0479. Bibcode:2011ФР ... 507..107Л. Дои:10.1016 / j.physrep.2011.06.003.
7. Никитов, Сергей; Tailhades, Цай (3 ноября 2001 г.). «Спиновые волны в периодических магнитных структурах - магнонных кристаллах». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 236 (3): 320–330. Bibcode:2001JMMM..236..320N. Дои:10.1016 / S0304-8853 (01) 00470-X.

внешняя ссылка

• «Двигайтесь вперед, спинтроника, магноника приходит на помощь электронике». IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки. Получено 2017-04-17.