Магнитные волны научились самостоятельно генерировать сигнал и синхронизироваться с внешним источником
Учёные разработали способ заставить магнитные волны, или магноны, самостоятельно генерировать устойчивые колебания, а затем синхронизировать их с внешним сигналом. Такой подход может найти применение в спинтронных системах обработки информации, маломощной микроволновой электронике и будущих магнонных устройствах.
Магноны представляют собой коллективные колебания магнитных моментов в материале. В отличие от обычной электроники, где информация передаётся движением электрического заряда, магнонные устройства используют магнитные возбуждения.
Для эксперимента исследователи изготовили волновод из железо-иттриевого граната (YIG) толщиной 100 нанометров с двумя миниатюрными микроволновыми антеннами. При подаче внешнего микроволнового сигнала чуть выше порога неустойчивости Суля возникал процесс четырёхволнового смешения. В результате взаимодействия двух магнонов накачки появлялись новые магнитные моды, включая спонтанно генерируемый магнон.
При магнитном поле 0,11 тесла и частоте накачки 5,53 ГГц исследователи получили спонтанную моду на частоте 5,766 ГГц. Ширина её линии составляла всего 23,5 кГц, а добротность достигала 245 000, что свидетельствует о высокой стабильности колебаний.
Учёные также смогли управлять частотой генерируемой волны. При изменении частоты накачки с 5,50 до 5,58 ГГц частота спонтанного магнона изменялась с 5,7187 до 5,8438 ГГц.
Главным результатом эксперимента стала возможность синхронизации. После генерации свободно колеблющегося магнона исследователи подали отдельный внешний сигнал и обнаружили, что магнитная волна способна подстраивать под него свою фазу. Иными словами, магнон самостоятельно генерирует ритм, но затем может синхронизироваться с внешним источником.
Кроме того, созданная система работала как параметрический усилитель магнонов и обеспечивала усиление до 40 дБ. Эффективность преобразования энергии накачки в спонтанную магнитную моду достигала 5%.
Эксперименты проводились при комнатной температуре. Поэтому речь пока не идёт о квантовом устройстве, однако результаты демонстрируют возможность контролируемой генерации и синхронизации магнонных колебаний. В перспективе такая технология может использоваться для обработки информации с помощью спиновых волн, маломощных микроволновых систем и других магнонных устройств.
Исследование в журнале Nature Communications.