Ученые из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ с коллегами впервые создали полную компьютерную модель сильного взаимодействия магнонов и фотонов в системе на основе железо-иттриевого граната и сверхвысокочастотного резонатора. Это исследование актуально для спинтронных и квантовых приложений, например для создания высокочувствительных сенсоров и элементов квантовых систем.

Магнон — квазичастица, которая представляет собой коллективное спиновое возбуждение в магнитных материалах, а фотон — квант электромагнитного излучения или элементарная частица света. При взаимодействии света и магнонов при определенных условиях наблюдается эффект гибридизации, при котором вместо двух обособленных мод (магнонной и фотонной) возникают гибридные состояния. Величина взаимодействия зависит от силы связи между модами. Гибридные магнон-фотонные состояния используются в радиотехнических и квантовых приложениях, например, для создания перестраиваемых фильтров или интерконнектов между кубитами.

Ученые впервые провели моделирование магнон-фотонной гибридизации в простой системе: пленка железо-иттриевого граната и сверхвысокочастотного резонатора в микрополосковой линии. В своей модели они использовали электромагнитное моделирование в специальном программном пакете ANSYS HFSS. Под действием внешнего магнитного поля при микроволновой накачке в пленке образуются магноны, а в резонаторе — фотонные моды от сверхвысокочастотного сигнала. Физики анализировали силу связи, параметры передачи энергии и спектры на наличие расщепления в четырех положениях пленки относительно резонатора. Работа опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ».

«Мы моделировали не абстрактную схему из двух осцилляторов, а полноценную микроволновую структуру с резонатором и пленкой, учитывая тензорную магнитную проницаемость ферромагнетика и ее зависимость от магнитного поля. Мы хотели понять: какая геометрия и какое положение пленки дают максимальное взаимодействие, и можно ли это надежно предсказать численным моделированием — до эксперимента», — рассказал Ансар Сафин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и руководитель лаборатории Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и профессор МФТИ.

Результаты показали, что самое сильное взаимодействие происходит при центральном положении пленки железо-иттриевого граната. В этом случае относительное расщепление частот составляет 0,06, а параметр связи ∼166 МГц. Это значит, что при совпадении частот резонатора и пленки они расходятся примерно на 6%, это прямой признак образования гибридных мод. Параметр связи характеризует силу гибридизации и показывает, что в этой частотной области энергия переходит между модами практически без рассеяния. Значения, полученные в других положениях пленки, значительно меньше, чем при центральном положении.

Так, моделирование показало, что решающим фактором, определяющим силу магнон-фотонной связи, является пространственное перекрытие пленки с максимумом сверхвысокочастотного магнитного поля. Исследователи составили наглядную карту управления связью: перемещая пленку от края к центру поля, они получили переход от обособленного существования двух различных мод к сильному взаимодействию между ними.

«Нас впечатлила чувствительность к положению пленки: небольшое смещение может поменять величину расщепления. Это говорит о том, что можно точно настраивать систему, и создавать за счет этой особенности новые приложения», — добавила Кристина Самойленко, сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники Института квантовых технологий МФТИ, студентка Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной Физики МФТИ и сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН.

Модель разработана таким образом, чтобы ее было относительно просто проверить экспериментально: структура резонатора легко воспроизводима, а измерения можно проводить на установке для ферромагнитного резонанса. Уже ведется разработка такого микроволнового резонатора, при помощи которого можно проводить исследования не только с пленками железо-иттриевого граната, но и с другими материалами.

Результаты этой работы перспективны для развития перестраиваемых сверхвысокочастотных резонаторов и фильтров, где резонансная частота устройства перестраивается с помощью магнитного поля. Также это имеет значение для разработок высокочувствительных датчиков, так как межмодовые гибридные состояния чувствительны к изменениям в системе, в частности к магнитному полю. В более долгосрочной перспективе это может привести к созданию элементов для гибридных квантовых магнонных схем, где магноны используют как носитель информации (связи) между подсистемами кубитов квантовых компьютеров.