Tidsvarierande system, material med egenskaper som förändras över tid, har öppnat nya möjligheter för experimentell manipulation av vågor. Till skillnad från statiska system, som uppvisar samma egenskaper över tid, bryter dessa material den så kallade temporära translationssymmetrin. Detta leder i sin tur till uppkomsten av olika fascinerande fenomen, inklusive tidsreflektion, refraktion och diffraktion.
De flesta studier av tidsvarierande material hittills har handlat om optiska system, eller med andra ord system som är utformade för att manipulera ljus på specifika sätt. På senare tid har dock vissa fysiker börjat utforska möjligheten att realisera tidsvarierande magnoniska system, som består av kollektiva vågliknande elektron-spin-excitationer i magnetiska material och kan överföra information med låg energiförlust.
Forskare vid ShanghaiTech University, Shandong University, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences och Zhejiang University har utvecklat en ny strategi för experimentell realisering av tidsvarierande stark koppling i magnoniska system.
Deras tillvägagångssätt, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, bygger på en teknik som kallas tidsupplöst frekvenskamspektroskopi, som kan användas för att detektera den snabbt föränderliga spektralvariationen hos kopplade magnon-lägen.
”Vi upptäckte en pumpinducerad magnonmod (PIM) under mikrovågsdrift 2023. PIM är unik eftersom den reagerar snabbt på extremt svaga mikrovågsfält (cirka nanoteslanivå, vilket är 10 000 gånger svagare än jordens magnetfält)”, berättade Bimu Yao och Wei Lu, som ledde studien, för Phys.org.
”Motiverade av detta ställde vi oss frågan: vad händer om den kontinuerliga drivningen ersätts med pulser? Våra experiment visade på chirpade Rabi-liknande oscillationer, vilket bevisar en tidsvarierande stark koppling mellan magnonlägen. Detta realiserar effektivt ett tidsvarierande medium för spinnvågor – en uppgift som vanligtvis hindras av svårigheten att snabbt modulera magnon-dispersion, men som görs möjlig genom vår metod.”
Det huvudsakliga målet för det senaste arbetet av Yao och hans kollegor var att experimentellt realisera brytningen av tidsymmetri i ett chipbaserat system gjort av spinnvågor, eller magnonlägen. För att uppnå detta måste de uppnå en tidsberoende stark koppling mellan magnoner i en koplanar vågledare.
”Vi ville också skapa tidsgränssnitt och tidsslitsar för magnoner för att demonstrera tidsdiffraktion”, säger Jinwei Rao och Lihui Bai, professorer från Shandong University som genomförde denna studie vid ShanghaiTech University. ”Slutligen satte vi oss för att utveckla en teknik som kan lösa spektralvariationer i nanosekundskala och avslöja tidigare obevakbara tidsvarierande kopplingsstyrkor hos magnoner.”
För att skapa sitt magnoniska system placerade forskarna en ferrimagnet (dvs. ett material som består av populationer av atomer med motsatta magnetiska moment) på en koplanar vågledare, en transmissionslinje där ledare ligger i ett enda plan på ett substrat. De sände sedan periodiska mikrovågsimpulser genom systemet för att excitera magnonlägena i ferrimagneten.
”Den snabba bildningen och avtagningen av PIM vid pulsens kanter modulerar kopplingen mellan PIM och det andra magnonläget”, förklarade Rao.
”Frekvensvariationen hos magnonmoderna sker på nanosekundskalan, vilket vida överstiger insamlingshastigheten hos kommersiella analysatorer. För att fånga denna ultrasnabba dynamiska process utvecklade vi en ny teknik för tidsupplöst frekvenskamspektroskopi (trFCS).
”De periodiska mikrovågsimpulserna motsvarar en frekvenskam som består av många diskreta, jämnt fördelade komponenter i frekvensdomänen. När de appliceras på en ferrimagnet undersöker dessa komponenter samtidigt resonansresponsen hos magnonlägen över ett brett frekvensområde.”
Med hjälp av den trFCS-teknik de utvecklat kunde forskarna detektera spektrala variationer hos magnonlägen på nanosekundskalan, vilket är flera storleksordningar snabbare än allmänt använda tekniker. En sådan upplösning var nödvändig för att observera de plötsliga förändringarna i magnon-dispersion som bildar ”tidsgränssnitt”.
För att skapa tidsslitsar (dvs. skarpa förändringar i kopplingen vid specifika ögonblick) i sitt system förkortade forskarna den externa energikällan som användes för att modulera interaktionerna mellan magnonlägen, även känd som ”pumpen”.
”Den snabba på- och avstängningen skapar två intilliggande tidsgränssnitt (en tidsslits). Genom att använda två korta pulser skapas en dubbel tidsslits”, säger Yao. ”Spektrumet visar sidband vars avstånd är omvänt proportionellt mot slitsavståndet – tidsdomänens motsvarighet till Youngs dubbla slits.”
Denna studie introducerar en ny genomförbar och praktisk strategi för att realisera tidsvarierande stark koppling i ett chipbaserat magnoniskt system utan att omkonfigurera det. Med hjälp av sin metod kunde forskarna för första gången demonstrera dubbelspalts tidsdiffraktion av magnonlägen.
I framtiden kan andra forskargrupper utveckla liknande metoder för nanosekundbredbandspektroskopi av mikrovågsystem och tillämpa dem för att realisera tidsvarierande magnoniska system.
”Vårt arbete visar på potentialen att möjliggöra effektiv magnonmultiplikation och programmerbar styrning, vilket förbättrar spinvågskonverteringseffektiviteten och möjliggör helt magnetiska blandare och GHz-källor på chip för lågförlustberäkning och kvanthybridsystem”, avslutar Wei Lu.
”TrFCS-tekniken fungerar som ett mångsidigt verktyg för att studera dynamiska mikrovågsystem. Nästa steg är att förkorta slitsar/pulser för att fånga ultrasnabbt beteende hos temporär refraktion/diffraktion och integrera multislits-system med stark koppling på chipet mot ’grating-programmerad magnonik’.”
Mer information: Jinwei Rao et al, Time-Varying Strong Coupling and the Induced Time Diffraction of Magnon Modes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/jc1c-k3ll. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.06801
