Nuovi canali per eccitare le onde magnetiche con la luce terahertz

La scoperta fornisce nuove informazioni sul controllo ultraveloce dei materiali magnetici, con il potenziale per consentire tecnologie di elaborazione delle informazioni di prossima generazione

L’eccitazione e il controllo non lineare delle vibrazioni del reticolo con la luce sono diventati un metodo potente per manipolare le proprietà dei materiali quantistici fuori equilibrio. Generalizzare dalle interazioni fonone-fonone coerenti agli accoppiamenti non lineari tra altri tipi di modalità collettive aprirebbe ulteriori opportunità per progettare le proprietà dinamiche dei solidi. Ad esempio, le eccitazioni collettive dell’ordine magnetico – i magnoni – possono trasportare informazioni con poca dissipazione di energia, e il loro controllo coerente e non lineare fornirebbe un percorso interessante per ottenere l’elaborazione e l’archiviazione delle informazioni basate sulla modalità collettiva nella prossima spintronica e magnonica.

Pizzicare una corda di chitarra è un'azione semplice che genera una serie armonica di armonici. Tuttavia, i chitarristi esperti possono migliorare la propria performance esercitando pressione sulle corde mentre le pizzicano. Questa tecnica sottile fa sì che l'altezza della nota si pieghi - aumentando o diminuendo con ogni movimento abile - e infonde alla musica espressività, struttura e carattere sfruttando intenzionalmente gli “effetti non lineari” delle corde della chitarra.

In uno studio pubblicato su Nature Physics (1), i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell'University of Texas ad Austin tracciano un affascinante parallelo scientifico con questa arte musicale. L'articolo, scritto dallo studente laureato del MIT Zhuquan Zhang (2), dell'University of Texas ad Austin postdoc Frank Gao PhD '22, dal professore di chimica Haslam e Dewey del MIT Keith Nelson (3) e dall'assistente professore dell'University of Texas ad Austin Edoardo Baldini, dimostra la capacità di controllare il modelli danzanti di minuscoli pezzi magnetici, spesso definiti “onde di rotazione” o “magnon”, in modo non lineare, simile al modo in cui i chitarristi esperti manipolano le corde della chitarra.

Per fare ciò, i ricercatori hanno utilizzato intensi campi terahertz (THz) – impulsi laser appositamente progettati che operano a frequenze infrarosse estreme – per lanciare in risonanza un’onda di spin alla sua frequenza caratteristica. Ma invece di eccitare semplicemente un’onda di spin, come ci si aspetterebbe normalmente, veniva eccitata anche un’altra onda di spin distinta con una frequenza più alta. «Questo ci ha davvero sorpreso. Ciò significava che potevamo controllare in modo non lineare il flusso di energia all’interno di questi sistemi magnetici», afferma Zhang.

Per identificare questi percorsi di eccitazione non lineari, i ricercatori hanno sviluppato un sofisticato spettrometro per scoprire l'accoppiamento reciproco tra onde di spin distinte e rivelarne le simmetrie sottostanti. «A differenza della luce visibile che può essere facilmente vista dall’occhio, la luce THz è difficile da rilevare», spiega il dottor Frank Gao (4). «Questi esperimenti sarebbero altrimenti impossibili senza lo sviluppo della tecnica che ci ha permesso di misurare i segnali THz con un solo impulso luminoso».

Il lavoro del team fornisce nuove informazioni su come la luce può interagire con gli spin in modo non convenzionale. Poiché i movimenti danzanti collettivi di questi minuscoli bit magnetici e la loro propagazione consumano molta meno energia delle cariche elettriche, hanno attirato molto clamore da parte degli scienziati per il loro potenziale di rivoluzionare l’informatica. Questa scoperta fornisce uno strumento che ci avvicina sempre più a un futuro di elaborazione delle informazioni basata sullo spin ad alta velocità, consentendo applicazioni come transistor magnonici e dispositivi di calcolo quantistico.

Altri autori dell'articolo includono Yu-Che Chien '23; Zi-Jie Liu ed Eric R. Sung, due attuali studenti laureati in chimica del MIT; Alexander von Hoegen, un postdoc del MIT presso il Dipartimento di Fisica; Jonathan B. Curtis e la professoressa Prineha Narang dell'University of California Los Angeles; e Xiaoxuan Ma, il professor Wei Ren e il professor Shixun Cao della Shanghai University.

Questo lavoro è stato sostenuto principalmente dall'U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences, dal Robert A. Welch Foundation, e dal United States Army Research Office.

Riferimenti:

(1) Terahertz-field-driven magnon upconversion in an antiferromagnet

(2) Zhuquan Zhang

(3) Keith Nelson

(4) Frank Gao

Descrizione foto: Questa illustrazione mostra un materiale antiferromagnetico guidato da una coppia di intensi impulsi THz, con le emissioni non lineari di onde di spin rilevate utilizzando una tecnica di polarimetria all'avanguardia. - Credit: Massachusetts Institute of Technology.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers discover new channels to excite magnetic waves with terahertz light