激光脉冲可实现可调自旋波激发

来自Moscow Institute of Physics and Technology（MIPT），Russian Quantum Center、Saratov State University和Michigan Technological University的一个研究团队演示了一种利用短激光脉冲控制纳米结构铋铁石榴石薄膜中自旋波的方法。这项技术在节能信息传输和自旋量子计算中具有很大的应用潜力。研究中使用的薄膜结构非常精细， 底层表面非常平滑，顶层有一层一维的光栅，长度周期为450纳米。这种几何形状使磁子的激发具有非常确定的的旋转分布，这对于没有修改过的薄膜结构是不可能的。

图1激光泵脉冲通过局部破坏铋铁石榴石薄膜中自旋 (图中橙色所示)的顺序来产生磁子。然后，探测器脉冲(图中蓝色所示)用于恢复有关激发磁子的信息。Alexander Chernov等人/《Nano Letters》供图。

自旋是指粒子的内在角动量，它始终具有方向性。在磁化材料中，自旋指向一个统一的方向。破坏这种磁有序往往伴随着自旋波的传播，旋转波的量子化是磁子。与电流不同，自旋波传播不涉及物质的转移；使用磁子代替电子来传输信息会有更小的热损耗。数据可以利用自旋波的相位或振幅进行编码，并通过波相干或非线性效应进行处理。

基于磁子的简单逻辑组件已经作为样品器件存在，但是应用该技术的主要挑战之一是需要控制自旋波的参数。即使没有纳米模式， 铋铁石榴石薄膜也具有独特的光磁特性，例如低的磁量衰减，这使得磁子即使在室温下也可以远距离传播。在近红外范围内，它也具有高度光学透明度，并且具有很高的费尔德常数。为了激发磁化矢量进动，这个团队使用了线性偏振的激光脉冲。激光脉冲会影响自旋动动力学和系统生成的自旋波类型。

研究人员使用250个飞秒探针脉冲来跟踪样品的状态并提取自旋波的特性。团队人员将探针脉冲引向样品上的任意一点，相对于泵脉冲具有所需的延迟，从而得到在已知点磁化动力学的信息。该信息确定了自旋波的光谱频率、类型和其他参数。与之前的方法不同，这个方法通过改变激光脉冲的某些参数来控制生成的自旋波。纳米结构薄膜的几何形状还允许激发中心在大约直径为10 nm 的中心点进行局域化。纳米模式还允许生成多种不同类型的自旋波。

激光脉冲的入射角度、波长以及光的极化使样品的波导模式能够产生共振激发。这些由纳米结构的特性决定，这样可以控制被激发的自旋波。科研人员能够让与光激发相关的特性独立变化，以此来产生所需要的结果。

“纳米光子学在超快磁领域开辟了新的可能性，” 这项研究的共同作者、MIPT磁异结构与旋转电子实验室负责人Alexander Chernov说，"实际的应用将取决于自旋器件能否超越亚微米尺寸、提高操作速度和多任务处理能力。我们已经展示了一种通过纳米结构磁性材料来克服这些限制的方法。我们已经成功地在一个几十纳米的点上对光进行局域化，并且有效地激发自旋驻波。这种类型的自旋波能够使器件在高频率下工作，可达到太赫兹范围。

这项研究成果发表在《Nano Letters》(www.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01528).