声子和磁子之间的相干振荡,声子传导与晶格振动之间的关系

声子和磁子之间的相干振荡的概念，以及时间分辨磁光显微镜。（a） 声子和磁子的示意图，（b） 声子和磁子之间相干振荡的示意图。（c） 声子和磁子在镥铁柘榴石中的色散曲线。（d） 图中A周围的放大视图。1c.黑色曲线表示杂交磁子-声子极子的色散关系，而红色和蓝色虚线曲线分别表示纯磁子和横向声子的色散关系。（e） 具有延长延迟时间的时间分辨磁光显微镜的光学设置。通过样品中磁光法拉第效应诱导的探针激光脉冲的偏振旋转角来检测激发的磁化动力学。检测由电荷耦合器件（CCD）相机执行。（f） 在泵脉冲照射后3.5 ns处观察到的磁光图像，在平行于激发磁子的波向量的外部磁场B = 11.5 mT下。g、激发后3.5 ns观察到的磁光图像的波数光谱（B=11.5 mT）。插图显示放大的视图。图片来源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

可以耦合具有相同频率和波长的两个不同波，使振幅在两者之间周期性地交替，形成一种称为相干跳动的现象。该过程通常可以用耦合的摆锤来观察，并且在宇宙尺度上作为由于不同中微子之间的波动而发生的中微子振荡。固体也可以同样保持各种波激发，以促进其热和电磁特性。

在现已发表在《自然通讯物理》杂志上的一份新报告中，Tomosato Hioki和日本东北大学和东京大学的材料研究和应用物理学科学家团队描述了在固体中观察到的不同激发物种之间的相干跳动，即声子 – 量子振动机械能和磁子—代表电子自旋结构集体激发的准粒子。该团队使用时间分辨磁光学显微镜来展示化合物中产生的磁子如何通过转移到声子而逐渐消失，然后在一段时间后返回到磁子的形式。振荡周期与磁子声子跳动一致。科学家们设想，实验结果将为连贯地控制固体中的磁子-声子系统铺平道路。

镥铁柘榴石中的声子-磁子相互作用

声子是固体晶格的振动波，负责固体的弹性和热性能。磁子或自旋波相反地代表磁化的波浪运动，存在于负责其磁性和热性质的磁铁中。这两个粒子可以通过磁弹性和磁静态耦合在固体中相互作用。每个系统的色散曲线中提供了粒子的动力学，以显示波数和频率之间的关系。科学家们已经记录了横向声子和磁子在典型绝缘体（如镥铁柘榴石）薄膜中的色散曲线。声子和磁子粒子的这种色散曲线保持交集，围绕该交集可以形成磁子 – 声子杂交状态。研究人员发现这种状态表现出极长的寿命，由于与保持较长寿命的声子杂交，远远大于纯磁子。

观察磁子-声子相干振荡。（a）在平行于k的磁场B = 11.5 mT下，kx = kTA处F~k（t）实部的时间演化，其中kTA是指横向声学（TA）声子和磁子的色散关系之间交点的波数。红色倒三角形表示泵脉冲照射后 t = 15 ns、20 ns 和 25 ns。（b） 在 kx = kTA 时的 F~k（t） 频率功率谱。蓝色填充的圆圈表示实验获得的光谱强度，而灰色曲线表示拟合曲线。倒置的红色三角形突出显示峰值。数据的误差作为标准差进行评估，该标准差小于数据图。（c）理论上计算的磁子在kx = kTA和ky = 0周围的色散曲线，其中我们使用晶体各向异性能量Kc = 73.0 [J ⋅ m−3]，单轴各向异性能Ku = −767.5 [J ⋅ m−3]，饱和磁化Ms = 14.8 [kA ⋅ m−1]，LA声子vLA的速度= 6.51 [km ⋅ s−1]，TA声子vTA的速度= 3.06 [km ⋅ s−1]和磁子耦合常数b2 = 1.8 ×105 [J ⋅ m−3]。黑色实心曲线分别表示磁振子极化子的色散曲线，而蓝色和红色虚线曲线分别表示纯 TA 声子和磁子。（d）在平行于k的磁场B = 11.5 mT下，kx = kLA处F~k（t）实部的时间演化，其中kLA是指纵声（LA）声子和磁子色散关系之间交点的波数。（e） 在 kx = kLA 时的 F~k（t） 频率功率谱。黑色填充圆表示实验获得的光谱强度，而灰色曲线表示拟合曲线。数据的误差作为标准差进行评估，该标准差小于数据图。（f） 理论上计算的磁振子围绕kx = kLA的色散曲线。灰线和红色曲线分别表示LA声子和磁子的色散曲线。（g） 在 kx = kTA 时 F~k（t） 实部在 kx = kTA 下的时间演化 B = 11.5 mT 垂直于 k. （h） 在 kx = kLA 处 F~k（t） 实部的时间演化 b = 11.5 mT 垂直于 k. （i），在不同延迟时间拍摄的磁光图像。图片来源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

物理学家已经证实了镥铁柘榴石的使用寿命延长，同时测量了自旋 – 热转换，即使在室温下也是如此。研究人员希望同时观察到相干叠加，该叠加在声子和磁子之间形成相应的跳动振荡。在这项工作中，Hioki等人描述了镥铁柘榴石中两个声子和磁子之间相干跳动的观察。该团队使用时间分辨磁光显微镜并测量了磁化动力学。他们发现了高达数十纳秒的相干跳动，并通过实验证实了镥铁柘榴石裸膜（缩写为LUIG）中磁子和声子之间的强耦合。

实验设置

Hioki等人通过开发时间分辨磁光显微镜探索了固体中的跳动振荡。在实验过程中，他们使用了厚度为1.8μm的LUIG薄膜，磁光效应大，磁化阻尼小。该团队通过将波长为800nm的脉冲激光聚焦到样品中来激发磁化动力学，这几乎相当于LUIG带隙能量的一半。泵通过光诱导退磁和光诱导膨胀激发自旋波或磁振子。科学家们通过使用惠更斯-菲涅耳干涉有选择地激发垂直于垂直线的磁子。此后，他们在波长为630nm的样品上使用另一种弱光脉冲，称为探针脉冲，并测量了通过相机通过样品传输的探针脉冲的磁光法拉第旋转的空间分布。该团队在实验过程中解决了样品中的磁子 – 声子间隙频率。

磁子-声子相干振荡的波数和场依赖性.（a） 在磁振镜和横向声波（TA）声子色散曲线交点附近B = 11.5 mT处观察到的频谱Fk（ω）。（b） 在B = 11.5 mT时，通过实验获得的频谱上支与下支之间的间隙与间隙频率的理论计算进行比较。误差线表示标准差。（c） 在磁子和TA声子色散曲线交点附近B = 13.0 mT处观察到的频谱Fk（ω）。（d） 在B = 13.0 mT时，通过实验获得的频谱上支路和下支路之间的间隙与间隙频率的理论计算进行比较。图片来源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

声子和磁子之间的相干振荡

该团队在泵脉冲照射后获得了偏振旋转角度，其中垂直波图案出现在泵脉冲焦点附近，以演示设备的磁力激励。他们证实偏振旋转是由于磁光法拉第效应。结果表明，泵脉冲照射后磁子和声子的色散曲线交汇处出现了磁振子极化子。Hioki等人通过显微镜直接测量纯磁子，以显示周期性振荡信号作为时间与磁子频率的函数。

然后，他们测量了磁光法拉第旋转，并显示了当磁子转化为声子时信号的消失。观察到的振荡意味着时域中磁子和声子之间的周期性跳动。该团队通过泵脉冲激发的波模式的及时变化进一步证明了真实空间中的相干跳动振荡。他们讨论了磁振子的激发光谱和相干振荡频率，以及磁子和声子分布曲线之间交点处的角频率。结果显示与理论计算非常吻合。

相干振荡的参数拟合。（a） 通过实验获得的|的时间演化B = 11.5 mT 时 F~k（t）|2。（b） 磁振幅|a~k（t）|2的计算时间演化。（c） |的时间演变F~k（t）|2 在不同波数下。灰色曲线表示根据研究中描述的方程（3）的拟合曲线。数据的误差作为标准差进行评估，该标准差小于数据图。图片来源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

磁振灯激励强度的数值计算。（a） G（r） 热图。设置σx和σy以实现磁振子的平面波激发（σx = 40 nm，σy = 40 nm）。（b） 激发强度 f（t） 的时间演变。（c） 根据等式计算的频谱强度热图（ts = 1.5 ns，te = 1.6 ns，σt = 0.3 ns）。光谱强度在横向声（TA）声子和磁子之间的色散交叉处达到峰值，再现了实验结果。图片来源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

展望

通过这种方式，Tomosato Hioki及其同事通过计算光谱磁子振幅的傅里叶变换来数值测量磁农振幅的及时演变。研究小组认为横向声子和磁子之间的耦合动力学与观察到的振荡有关。为了理解实验结果，Hioki等人将大合作性归功于柘榴石晶体中声子的小固有磁阻尼和高质量因子。科学家们通过从平面薄膜中制造声子或木子晶体来进一步增强薄膜中的磁子 – 声子耦合，以帮助控制马格农电路和器件中的磁子。所提出的磁子-声子相干振荡为研究耦合系统的动力学提供了一个平台，以调节各种磁性材料中的磁性和弹性。

更多信息：Tomosato Hioki等人，声子和磁子之间的相干振荡，通信物理学（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

L. J. Cornelissen等人，室温下磁绝缘体中磁子自旋信息的长距离传输，Nature Physics（2015）。DOI： 10.1038/nphys3465

期刊信息： 通信物理 ， 自然物理