Инверсия времени жизни магнонов ферромагнитного и обменного резонансных мод в ферримагнетиках

Почему крошечные магнитные волны могут изменить электронику будущего

Современные дата‑центры, телефоны и датчики тратят много энергии на перемещение электрических зарядов. Физики изучают альтернативу: перенос информации с помощью магнитных колебаний — так называемых спиновых волн или магнонов — с куда меньшими потерями на нагрев. В этом исследовании показан неожиданный способ сделать один конкретный вид магнона в специальном магнитном материале одновременно очень быстрым и необычно долгоживущим, сочетание, которое может помочь создать быстрые энергоэффективные устройства, работающие на частотах за пределами современной электроники.

Два типа магнитного движения в одном материале

Ферримагнетики — это магнитные материалы, состоящие из двух взаимосвязанных подсистем атомов, чьи малые магнитные моменты в основном направлены в противоположные стороны. Поскольку эти две подсетки неравны, материал ведет себя отчасти как обычный ферромагнит и отчасти как антимагнетик. В результате он поддерживает два разных коллективных движения. Первый, режим ферромагнитного резонанса, представляет собой относительно медленное, плавное прецессирование всех моментов вместе и имеет частоты, сопоставимые с используемыми в беспроводной связи. Второй, обменный резонансный режим, — гораздо более быстрое, тесно связанное колебание, при котором две подсетки движутся преимущественно навстречу друг другу, достигая субтерагерцового диапазона, значительно выше обычных радио‑ и микроволновых полос.

Бросая вызов обычной зависимости между скоростью и временем жизни

В большинстве физических систем более быстрые колебания затухают быстрее: более высокая частота обычно означает более короткое время жизни. То же ожидание применялось и к магнонам, где сильные внутренние силы, повышающие частоту, как правило, делают движение более хрупким. Авторы проверяют это предположение на тонких пленках сплава кобальт–гадолиний, CoGd, хорошо изученном ферримагнетике. Тщательно регулируя либо температуру, либо химический состав, они могут настроить баланс углового момента между подсетками кобальта и гадолиния. В особом состоянии, называемом точкой компенсации углового момента, вклады двух подсеток точно компенсируются, что сильно влияет на ответ магнитной системы на возмущения.

Наблюдение за ультрабыстрыми магнитными рябями в реальном времени

Для изучения этих ряб команда использует временно‑разрешенную спектроскопию магнитооптического эффекта Керра, метод, отслеживающий крошечные вращения поляризации отраженного лазерного света по мере того, как намагниченность в пленке колеблется. Ультракороткий «насосный» импульс ненадолго нагревает и возмущает магнит, запуская как медленные, так и быстрые моды; отложенный «зондовый» импульс считывает возникающее движение с пикосекундным временным разрешением. Повторяя измерения с разной задержкой, исследователи реконструируют осцилляции во времени и по их затуханию извлекают как частоту, так и время жизни каждого режима в широком диапазоне температур и для разных составов сплава.

Быстрая мода, переживающая медленную

Измерения подтверждают ожидаемый большой разрыв между медленным ферромагнитным режимом в гигагерцовой области и гораздо более быстрым обменным режимом примерно на 110 гигагерц. Дальше от точки компенсации привычное правило выполняется: высокочастотный обменный режим затухает быстрее, чем низкочастотный ферромагнитный режим. Но вблизи компенсации углового момента тренд меняется на противоположный. Обменный режим вдруг приобретает более длительное время жизни, чем ферромагнитный режим, хотя при этом он по‑прежнему колеблется почти на порядок быстрее. При вычислении эффективного демпфирования — меры того, как быстро теряется энергия — авторы обнаруживают его минимум для обменного режима вблизи этой особой точки, что также совпадает с максимумом в оцененной скорости перемещения доменных стенок, границ между магнитными областями.

Как неравная «трение» между подсетками переворачивает времена жизни

Чтобы понять это контринтуитивное поведение, исследователи разработали теоретическое описание, в котором две подсетки и их связанное движение рассматриваются явно. В этой картине каждая подсетка испытывает свое собственное магнитное «трение», или демпфирование, и эти значения не равны. Теория показывает, что при сильном дисбалансе появляется дополнительный член крутящего момента, который действует по‑разному на два режима. Для медленного ферромагнитного режима этот дополнительный момент усиливает обычное демпфирование, заставляя движение затухать быстрее. Для быстрого обменного режима тот же член частично компенсирует демпфирование, фактически проявляясь как анти‑трение, которое позволяет колебанию сохраняться дольше. Численные моделирования на основе этой модели воспроизводят наблюдаемое пересечение времен жизни двух режимов вблизи точки компенсации углового момента.

Открывая путь к более быстрым и холодным магнитным технологиям

Главный вывод работы в том, что путем инженерного управления микроскопическим демпфированием разных частей ферримагнетика можно создать магнитные волны, которые одновременно очень быстры и необычно долгоживут. В CoGd эта «сладкая точка» возникает вблизи точки компенсации углового момента, где высокочастотный обменный режим становится наиболее устойчивым переносчиком магнитной энергии и информации. Такое сочетание скорости и стабильности делает эти моды перспективными элементами для устройств следующего поколения в спинтронике, включая компактные осцилляторы и схемы обработки сигналов, работающие глубоко в субтерагерцовом диапазоне с намного меньшими энергетическими потерями, чем у традиционной электроники, основанной на переносе заряда.

Цитирование: Xu, C., Kim, SJ., Zhao, S. et al. Inversion of magnon lifetime of ferromagnetic and exchange resonance modes in ferrimagnets. Nat Commun 17, 2630 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69453-6

Ключевые слова: ферримагнетизм, спинтроника, магноны, ультрабыстрая магнетика, терагерцовые устройства