Araştırma ekipleri bir antiferromanyette magnon-fonon Fermi rezonansını keşfetti. Yakında, veri depolama merkezlerinin dünya enerji üretiminin neredeyse %10’unu tüketmesi bekleniyor. Bu artış, diğer şeylerin yanı sıra, kullanılan malzemelerin -ferromanyetiklerin- içsel sınırlamalarından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, bu sorun daha hızlı ve daha enerji verimli malzemeler arayışını ateşlemiştir.

a THz pompası—c ekseni boyunca numune düzlemine dik uygulanan harici manyetik alanla IR prob spektroskopisi. THz kaynaklı prob polarizasyon rotasyonu α F’nin değişimleri dengeli bir fotodedektörle ölçülür. THz darbesinin (azot temizleme ile) elektro-optik örneklemesi hem zaman hem de frekans alanlarında gösterilir. b T = 6 K’de ölçülen bir dizi harici manyetik alan değeri için polarizasyon rotasyonu α F için zaman alanı verileri.

En cesaret verici yollardan biri, yalnızca daha sağlam ve 1.000 kat daha hızlı okuma ve yazma işlemleri vaat etmekle kalmayıp aynı zamanda ferromanyetik muadillerinden daha bol bulunan antiferromanyetiklerdir. Bu kuantum malzemelerinin anlaşılması ve kontrolü, gelecekteki teknolojilerin ilerlemesi için anahtardır. Uluslararası bir araştırma ekibi şimdi bu çabada önemli bir adım atıldığını bildiriyor.

Spintronik uygulamalarda spinler ve bir malzemenin kristal kafesi arasındaki etkileşim esastır, çünkü bunlar bilgiyi manyetik bitlere yazmak için spini (elektronun manyetik momenti) kullanırlar. Ferromanyetik malzemelerde, bu spinler güçlü bir şekilde etkileşime girerek spin dalgası olarak bilinen ve malzemede hareket edebilen bir dalgalanma etkisi yaratır.

Spin dalgaları heyecan vericidir çünkü günümüz bilgisayar çiplerindeki elektrik akımlarının aksine, elektronları hareket ettirmeden bilgi taşıyabilirler, bu da daha az ısı üretildiği anlamına gelir. Ve tıpkı ışığın foton adı verilen kuantize parçacıklar olarak düşünülebileceği gibi, spin dalgalarının da magnon adı verilen kendi kuazi parçacıkları vardır.

Öte yandan, bir malzemenin kafesindeki atomlar düzgün bir şekilde titreştiğinde, bu hareket fonon adı verilen kuazi parçacıklarla tanımlanır.

Ekibin araştırması, magnon ve fononların bir arada bulunduğu antiferromanyetik malzeme kobalt diflorür (CoF2) üzerine odaklandı. Bu malzemede, komşu spinler antiparalel olarak hizalanarak geleneksel ferromanyetik malzemelere göre bin kat daha hızlı spin dinamiği sağlıyor.

Bu gelişme, daha hızlı ve daha enerji verimli veri biti yazımına yol açabilir. Bilim insanları bu spin dinamiklerini terahertz frekanslarındaki ışık darbeleriyle birleşerek harekete geçirirler.

Buna ek olarak, ilk kez neredeyse bir asır önce karbondioksitte tanımlanan Fermi rezonansı, termal enerjinin emilmesinden kaynaklanan iki titreşim modu etkileşime girdiğinde ve biri diğerinin iki katı frekansta olduğunda atomik ve moleküler düzeyde meydana gelir. Fermi rezonansı ilkesi şimdiye kadar magnonik veya fononik sistemlere genişletilmiştir.

Ancak bu çalışmada bilim insanları ilk kez spin ve kristal kafes arasında güçlü bir bağlantı kurarak antiferromanyetik olarak düzenlenmiş bir malzemenin bu alt sistemleri arasında karşılıklı bir enerji transferi oluşturmayı başardılar. Araştırma Nature Communications dergisinde yayımlandı.

a CoF2’nin antiferromanyetik kolay ekseni boyunca uygulanan harici bir manyetik alan μ0Hext tarafından temel magnon frekansı f0 ve çift frekans 2f0’ın frekans ayarı. Çift magnon frekansı (kırmızı) ile fonon frekansının (mavi) kesiştiği noktadaki Fermi rezonans eşleştirme koşulu 2fm=fph siyah yıldızla işaretlenmiştir . Mavi noktalar ve kırmızı dikdörtgenler gerçek deneysel veri noktalarına karşılık gelmektedir. b Doğrusal olmayan magnon – fonon dinamiğinin grafiksel gösterimi. Magnon frekansı f0 ise , bir THz pompa darbesi yalnızca magnon durumunu doldurur. Ancak, rezonans koşulunun harici bir manyetik alanla ayarlanmasıyla, 2fm = fph için , magnon-fonon Fermi rezonans koşulu sağlanır ve doğrusal olmayan enerji transferi kanalı açılır. c İki magnon ve bir fononu içeren enerji transferi süreçlerini gösteren Feynman diyagramları. İki magnon-fonon birleşmesi (sol) ve fonon-iki magnon bölünmesi (sağ).

Senkronize magnonlar ve fononlar

Bu projede, Radboud Üniversitesi Moleküller ve Malzemeler Enstitüsü’nden (IMM), Köln Üniversitesi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’tan (HZDR) ve Ioffe Enstitüsü’nden deneysel ve teorik yoğun madde bilimcileri, Fermi rezonansı koşulu altında bir antiferromanyet içinde magnonlar ve fononlar arasında yeni bir enerji transfer kanalı ortaya çıkardılar. Bu, daha hızlı ve daha enerji verimli veri depolama için bu tür antiferromanyetik sistemlerin gelecekte kontrol edilmesini sağlayabilir.

Araştırmacılar, HZDR’nin ELBE Yüksek Güçlü Radyasyon Kaynakları Merkezi’ndeki yoğun ve spektral olarak parlak hızlandırıcı tabanlı süperradyant THz kaynağını kullanarak, antiferromanyetik spin rezonansını seçici olarak uyardılar ve merkez frekansını birkaç Tesla’ya kadar yüksek dış manyetik alanla ayarladılar. Bu yapılandırma, spin rezonans frekanslarını kafes titreşim frekansının yarısına ayarlamalarına ve Fermi rezonans koşulunu yerine getirmelerine olanak sağladı.

Araştırmacılar, Fermi rezonansında bu iki alt sistem arasında enerji alışverişine izin veren yeni bir eşlenmiş magnon-fonon dinamiği rejimi buldular. Araştırmacılar, magnonların frekanslarını ayarlayarak bu süreci kontrol edebilir ve özellikle magnon-fonon kuplajını geliştirebilirler.

Bu yeni rejim, fonon spektrumlarının genişlemesi ve fonon spektral ağırlığının asimetrik yeniden dağılımı olarak gözlemlendi. Sonuç olarak, sonuçları hibritlenmiş iki-magnon-bir-fonon durumunu önermektedir. Çalışmaları, tutarlı enerji kontrolünün merkezi bir rol oynadığı magnonik ve fononik alanlarında önemli olabilir.

Gelecekteki veri depolamada yenilikçi işlevler

Araştırma sonuçları, talep üzerine spin-kafes kuplajını manipüle etmek için bir yol sunmaktadır. İlk olarak, bu, ferromanyetik malzemeler tarafından sunulan geleneksel GHz hızından antiferromanyetik malzemelerdeki THz ölçeğine kadar operasyonel frekansta önemli bir artışa izin verir. İkinci olarak, bu manyetik yazmanın verimliliğini önemli ölçüde artırabilir, bu da bit yazma işlemleri için gereken minimum enerji miktarını azaltarak toplam enerji tüketimini önemli ölçüde düşürecektir.

Bu nedenle sonuçlar, antiferromanyetlerin dinamiklerini kontrol etmek için yenilikçi bir yol önermekte ve bu tür malzemelere dayalı kavramsal olarak yeni veri depolama teknolojilerine yol açmaktadır. Gelecekteki çalışmalarda araştırma ekibi, Fermi rezonansı koşulunun diğer yeni kuantum malzemelerini kontrol etmek için genişletilip genişletilemeyeceğini keşfetmeyi ve potansiyel olarak malzeme bilimi ve teknolojisini ilerletmeyi amaçlamaktadır.

Kaynak:

https://phys.org/news/2024-08-hidden-harmonies-team-magnonphonon-fermi.html