La magnónica es un campo emergente del magnetismo moderno , que puede considerarse un subcampo de la física moderna del estado sólido . [1] La magnónica combina el estudio de las ondas y el magnetismo. Su objetivo principal es investigar el comportamiento de las ondas de espín en elementos de nanoestructura. En esencia, las ondas de espín son un reordenamiento propagado de la magnetización en un material y surgen de la precesión de momentos magnéticos . Los momentos magnéticos surgen de los momentos orbitales y de espín del electrón, la mayoría de las veces es este momento de espín el que contribuye al momento magnético neto.
Tras el éxito del disco duro moderno , existe un gran interés actual en el futuro almacenamiento de datos magnéticos y en el uso de ondas de espín para cosas como la lógica "magnónica" y el almacenamiento de datos. [2] De manera similar, la espintrónica busca utilizar el grado de libertad de espín inherente para complementar la propiedad de carga ya exitosa del electrón utilizada en la electrónica contemporánea . El magnetismo moderno se ocupa de promover la comprensión del comportamiento de la magnetización en escalas de longitud muy pequeñas (submicrómetros) y escalas de tiempo muy rápidas (subnanosegundos) y cómo esto se puede aplicar para mejorar las tecnologías existentes o generar nuevas tecnologías y conceptos informáticos. Se inventó un dispositivo de torque magnónico y luego se perfeccionó en el departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Singapur , que se basa en tales usos potenciales, con resultados publicados el 29 de noviembre de 2019 en Science .
Un cristal magnónico es un metamaterial magnético con propiedades magnéticas alternas. Al igual que los metamateriales convencionales, sus propiedades surgen de la estructuración geométrica, en lugar de su estructura de bandas o composición directamente. Pequeñas inhomogeneidades espaciales crean un comportamiento macroscópico efectivo, lo que lleva a propiedades que no se encuentran fácilmente en la naturaleza. Al alternar parámetros como la permeabilidad relativa o la magnetización de saturación, existe la posibilidad de adaptar las brechas de banda "magnónicas" en el material. Al ajustar el tamaño de esta brecha de banda, solo los modos de onda de espín capaces de cruzar la brecha de banda podrían propagarse a través del medio, lo que lleva a la propagación selectiva de ciertas frecuencias de onda de espín. Véase polaritón magnónico de superficie .
Las ondas de espín pueden propagarse en medios magnéticos con ordenamiento magnético como ferroimanes y antiferroimanes . Las frecuencias de precesión de la magnetización dependen del material y sus parámetros magnéticos, en general las frecuencias de precesión en el microondas son de 1–100 GHz, las resonancias de intercambio en materiales particulares pueden incluso ver frecuencias de hasta varios THz. Esta mayor frecuencia de precesión abre nuevas posibilidades para el procesamiento de señales analógicas y digitales.
Las ondas de espín tienen en sí mismas velocidades de grupo del orden de unos pocos kilómetros por segundo. La amortiguación de las ondas de espín en un material magnético también hace que la amplitud de la onda de espín decaiga con la distancia, lo que significa que la distancia que pueden recorrer las ondas de espín que se propagan libremente suele ser de solo unas decenas de μm. La amortiguación de la magnetización dinámica se explica fenomenológicamente por la constante de amortiguación de Gilbert en la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert (ecuación LLG), el mecanismo de pérdida de energía en sí no se entiende completamente, pero se sabe que surge microscópicamente de la dispersión magnón - magnón , la dispersión magnón -fonón y las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault . La ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert es la " ecuación de movimiento " para la magnetización. Todas las propiedades de los sistemas magnéticos, como el campo de polarización aplicado, el intercambio de la muestra, la anisotropía y los campos dipolares, se describen en términos de un campo magnético "efectivo" que entra en la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert. El estudio de la amortiguación en sistemas magnéticos es un tema de investigación moderno en curso. La ecuación LL fue introducida en 1935 por Landau y Lifshitz para modelar el movimiento de precesión de magnetización en un sólido con un campo magnético efectivo y con amortiguación. [3] Más tarde, Gilbert modificó el término de amortiguación, que en el límite de una amortiguación pequeña produce resultados idénticos. La ecuación LLG es,
La constante es el parámetro de amortiguamiento fenomenológico de Gilbert y depende del sólido, y es la relación giromagnética del electrón . Aquí
La investigación en magnetismo, al igual que el resto de la ciencia moderna, se lleva a cabo con una simbiosis de enfoques teóricos y experimentales. Ambos enfoques van de la mano: los experimentos prueban las predicciones de la teoría y la teoría proporciona explicaciones y predicciones de nuevos experimentos. El lado teórico se centra en el modelado numérico y las simulaciones, el llamado modelado micromagnético . Programas como OOMMF o NMAG son solucionadores micromagnéticos que resuelven numéricamente la ecuación LLG con condiciones de contorno apropiadas. [4] Antes del inicio de la simulación, se establecen los parámetros magnéticos de la muestra y los detalles de la magnetización del estado fundamental y del campo de polarización. [5]
Experimentalmente, existen muchas técnicas para estudiar los fenómenos magnéticos, cada una con sus propias limitaciones y ventajas. [ cita requerida ] Las técnicas experimentales se pueden distinguir por ser técnicas de dominio temporal (TR-MOKE óptico y bombeado por campo), de dominio de campo ( resonancia ferromagnética (FMR)) y técnicas de dominio de frecuencia (dispersión de luz Brillouin (BLS), analizador de redes vectoriales - resonancia ferromagnética (VNA-FMR)). Las técnicas de dominio temporal permiten rastrear indirectamente la evolución temporal de la magnetización registrando la respuesta de polarización de la muestra. La magnetización se puede inferir por la llamada rotación "Kerr". Las técnicas de dominio de campo como FMR hacen cosquillas a la magnetización con un campo de microondas CW. Al medir la absorción de la radiación de microondas a través de la muestra, a medida que se barre un campo magnético externo, se proporciona información sobre las resonancias magnéticas en la muestra. Es importante destacar que la frecuencia a la que precesa la magnetización depende de la fuerza del campo magnético aplicado. A medida que aumenta la intensidad del campo externo, también aumenta la frecuencia de precesión. Las técnicas de dominio de frecuencia, como el análisis de frecuencias de campo de rango variable (VNA-FMR), examinan la respuesta magnética debida a la excitación por una corriente de RF; la frecuencia de la corriente se barre a través del rango de GHz y se puede medir la amplitud de la corriente transmitida o reflejada.
Los láseres ultrarrápidos modernos permiten una resolución temporal de femtosegundos (fs) para técnicas de dominio temporal, estas herramientas son ahora estándar en entornos de laboratorio. [ cita requerida ] Basado en el efecto magneto-óptico Kerr , TR-MOKE es una técnica de bombeo-sonda donde una fuente láser pulsada ilumina la muestra con dos rayos láser separados. El rayo de "bombeo" está diseñado para excitar o perturbar la muestra del equilibrio, es muy intenso diseñado para crear condiciones de alto desequilibrio dentro del material de la muestra, excitando el electrón y, por lo tanto, posteriormente el fonón y el sistema de espín. Los estados de onda de espín a alta energía se excitan y posteriormente pueblan los estados inferiores durante su trayectoria de relajación. Un rayo mucho más débil llamado rayo "sonda" se superpone espacialmente con el rayo de bombeo en la superficie del material magnónico. El rayo de la sonda pasa a lo largo de una línea de retardo, que es una forma mecánica de aumentar la longitud de la trayectoria de la sonda. Al aumentar la longitud de la trayectoria de la sonda, se retrasa con respecto al rayo de bombeo y llega en un momento posterior a la superficie de la muestra. La resolución temporal se construye en el experimento modificando la distancia de retardo. A medida que se escalona la posición de la línea de retardo, se miden las propiedades del haz reflejado. La rotación de Kerr medida es proporcional a la magnetización dinámica a medida que las ondas de espín se propagan en el medio. La resolución temporal está limitada únicamente por el ancho temporal del pulso láser. Esto permite conectar una óptica ultrarrápida con una excitación de onda de espín local y una detección sin contacto en metamateriales magnónicos, fotomagnónica. [6] [7]
Desde 2009, los congresos "Magnonics" se organizan cada dos años. El próximo congreso tendrá lugar en julio-agosto de 2025 en Cala Millor, Mallorca, España.
