聲子和磁子之間的相幹振蕩的概念，以及時間分辨磁光顯微鏡。（a） 聲子和磁子的示意圖，（b） 聲子和磁子之間相幹振蕩的示意圖。（c） 聲子和磁子在镥鐵柘榴石中的色散曲線。（d） 圖中A周圍的放大視圖。1c.黑色曲線表示雜交磁子-聲子極子的色散關系，而紅色和藍色虛線曲線分别表示純磁子和橫向聲子的色散關系。（e） 具有延長延遲時間的時間分辨磁光顯微鏡的光學設置。通過樣品中磁光法拉第效應誘導的探針激光脈沖的偏振旋轉角來檢測激發的磁化動力學。檢測由電荷耦合器件（CCD）相機執行。（f） 在泵脈沖照射後3.5 ns處觀察到的磁光圖像，在平行于激發磁子的波向量的外部磁場B = 11.5 mT下。g、激發後3.5 ns觀察到的磁光圖像的波數光譜（B=11.5 mT）。插圖顯示放大的視圖。圖片來源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

可以耦合具有相同頻率和波長的兩個不同波，使振幅在兩者之間周期性地交替，形成一種稱為相幹跳動的現象。該過程通常可以用耦合的擺錘來觀察，并且在宇宙尺度上作為由于不同中微子之間的波動而發生的中微子振蕩。固體也可以同樣保持各種波激發，以促進其熱和電磁特性。

在現已發表在《自然通訊物理》雜志上的一份新報告中，Tomosato Hioki和日本東北大學和東京大學的材料研究和應用物理學科學家團隊描述了在固體中觀察到的不同激發物種之間的相幹跳動，即聲子 - 量子振動機械能和磁子—代表電子自旋結構集體激發的準粒子。該團隊使用時間分辨磁光學顯微鏡來展示化合物中産生的磁子如何通過轉移到聲子而逐漸消失，然後在一段時間後返回到磁子的形式。振蕩周期與磁子聲子跳動一緻。科學家們設想，實驗結果将為連貫地控制固體中的磁子-聲子系統鋪平道路。

镥鐵柘榴石中的聲子-磁子相互作用

聲子是固體晶格的振動波，負責固體的彈性和熱性能。磁子或自旋波相反地代表磁化的波浪運動，存在于負責其磁性和熱性質的磁鐵中。這兩個粒子可以通過磁彈性和磁靜态耦合在固體中相互作用。每個系統的色散曲線中提供了粒子的動力學，以顯示波數和頻率之間的關系。科學家們已經記錄了橫向聲子和磁子在典型絕緣體（如镥鐵柘榴石）薄膜中的色散曲線。聲子和磁子粒子的這種色散曲線保持交集，圍繞該交集可以形成磁子 - 聲子雜交狀态。研究人員發現這種狀态表現出極長的壽命，由于與保持較長壽命的聲子雜交，遠遠大于純磁子。

觀察磁子-聲子相幹振蕩。（a）在平行于k的磁場B = 11.5 mT下，kx = kTA處F~k（t）實部的時間演化，其中kTA是指橫向聲學（TA）聲子和磁子的色散關系之間交點的波數。紅色倒三角形表示泵脈沖照射後 t = 15 ns、20 ns 和 25 ns。（b） 在 kx = kTA 時的 F~k（t） 頻率功率譜。藍色填充的圓圈表示實驗獲得的光譜強度，而灰色曲線表示拟合曲線。倒置的紅色三角形突出顯示峰值。數據的誤差作為标準差進行評估，該标準差小于數據圖。（c）理論上計算的磁子在kx = kTA和ky = 0周圍的色散曲線，其中我們使用晶體各向異性能量Kc = 73.0 [J ⋅ m−3]，單軸各向異性能Ku = −767.5 [J ⋅ m−3]，飽和磁化Ms = 14.8 [kA ⋅ m−1]，LA聲子vLA的速度= 6.51 [km ⋅ s−1]，TA聲子vTA的速度= 3.06 [km ⋅ s−1]和磁子耦合常數b2 = 1.8 ×105 [J ⋅ m−3]。黑色實心曲線分别表示磁振子極化子的色散曲線，而藍色和紅色虛線曲線分别表示純 TA 聲子和磁子。（d）在平行于k的磁場B = 11.5 mT下，kx = kLA處F~k（t）實部的時間演化，其中kLA是指縱聲（LA）聲子和磁子色散關系之間交點的波數。（e） 在 kx = kLA 時的 F~k（t） 頻率功率譜。黑色填充圓表示實驗獲得的光譜強度，而灰色曲線表示拟合曲線。數據的誤差作為标準差進行評估，該标準差小于數據圖。（f） 理論上計算的磁振子圍繞kx = kLA的色散曲線。灰線和紅色曲線分别表示LA聲子和磁子的色散曲線。（g） 在 kx = kTA 時 F~k（t） 實部在 kx = kTA 下的時間演化 B = 11.5 mT 垂直于 k. （h） 在 kx = kLA 處 F~k（t） 實部的時間演化 b = 11.5 mT 垂直于 k. （i），在不同延遲時間拍攝的磁光圖像。圖片來源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

物理學家已經證實了镥鐵柘榴石的使用壽命延長，同時測量了自旋 - 熱轉換，即使在室溫下也是如此。研究人員希望同時觀察到相幹疊加，該疊加在聲子和磁子之間形成相應的跳動振蕩。在這項工作中，Hioki等人描述了镥鐵柘榴石中兩個聲子和磁子之間相幹跳動的觀察。該團隊使用時間分辨磁光顯微鏡并測量了磁化動力學。他們發現了高達數十納秒的相幹跳動，并通過實驗證實了镥鐵柘榴石裸膜（縮寫為LUIG）中磁子和聲子之間的強耦合。

實驗設置

Hioki等人通過開發時間分辨磁光顯微鏡探索了固體中的跳動振蕩。在實驗過程中，他們使用了厚度為1.8μm的LUIG薄膜，磁光效應大，磁化阻尼小。該團隊通過将波長為800nm的脈沖激光聚焦到樣品中來激發磁化動力學，這幾乎相當于LUIG帶隙能量的一半。泵通過光誘導退磁和光誘導膨脹激發自旋波或磁振子。科學家們通過使用惠更斯-菲涅耳幹涉有選擇地激發垂直于垂直線的磁子。此後，他們在波長為630nm的樣品上使用另一種弱光脈沖，稱為探針脈沖，并測量了通過相機通過樣品傳輸的探針脈沖的磁光法拉第旋轉的空間分布。該團隊在實驗過程中解決了樣品中的磁子 - 聲子間隙頻率。

磁子-聲子相幹振蕩的波數和場依賴性.（a） 在磁振鏡和橫向聲波（TA）聲子色散曲線交點附近B = 11.5 mT處觀察到的頻譜Fk（ω）。（b） 在B = 11.5 mT時，通過實驗獲得的頻譜上支與下支之間的間隙與間隙頻率的理論計算進行比較。誤差線表示标準差。（c） 在磁子和TA聲子色散曲線交點附近B = 13.0 mT處觀察到的頻譜Fk（ω）。（d） 在B = 13.0 mT時，通過實驗獲得的頻譜上支路和下支路之間的間隙與間隙頻率的理論計算進行比較。圖片來源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

聲子和磁子之間的相幹振蕩

該團隊在泵脈沖照射後獲得了偏振旋轉角度，其中垂直波圖案出現在泵脈沖焦點附近，以演示設備的磁力激勵。他們證實偏振旋轉是由于磁光法拉第效應。結果表明，泵脈沖照射後磁子和聲子的色散曲線交彙處出現了磁振子極化子。Hioki等人通過顯微鏡直接測量純磁子，以顯示周期性振蕩信号作為時間與磁子頻率的函數。

然後，他們測量了磁光法拉第旋轉，并顯示了當磁子轉化為聲子時信号的消失。觀察到的振蕩意味着時域中磁子和聲子之間的周期性跳動。該團隊通過泵脈沖激發的波模式的及時變化進一步證明了真實空間中的相幹跳動振蕩。他們讨論了磁振子的激發光譜和相幹振蕩頻率，以及磁子和聲子分布曲線之間交點處的角頻率。結果顯示與理論計算非常吻合。

相幹振蕩的參數拟合。（a） 通過實驗獲得的|的時間演化B = 11.5 mT 時 F~k（t）|2。（b） 磁振幅|a~k（t）|2的計算時間演化。（c） |的時間演變F~k（t）|2 在不同波數下。灰色曲線表示根據研究中描述的方程（3）的拟合曲線。數據的誤差作為标準差進行評估，該标準差小于數據圖。圖片來源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

磁振燈激勵強度的數值計算。（a） G（r） 熱圖。設置σx和σy以實現磁振子的平面波激發（σx = 40 nm，σy = 40 nm）。（b） 激發強度 f（t） 的時間演變。（c） 根據等式計算的頻譜強度熱圖（ts = 1.5 ns，te = 1.6 ns，σt = 0.3 ns）。光譜強度在橫向聲（TA）聲子和磁子之間的色散交叉處達到峰值，再現了實驗結果。圖片來源：通信物理（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

展望

通過這種方式，Tomosato Hioki及其同事通過計算光譜磁子振幅的傅裡葉變換來數值測量磁農振幅的及時演變。研究小組認為橫向聲子和磁子之間的耦合動力學與觀察到的振蕩有關。為了理解實驗結果，Hioki等人将大合作性歸功于柘榴石晶體中聲子的小固有磁阻尼和高質量因子。科學家們通過從平面薄膜中制造聲子或木子晶體來進一步增強薄膜中的磁子 - 聲子耦合，以幫助控制馬格農電路和器件中的磁子。所提出的磁子-聲子相幹振蕩為研究耦合系統的動力學提供了一個平台，以調節各種磁性材料中的磁性和彈性。

更多信息：Tomosato Hioki等人，聲子和磁子之間的相幹振蕩，通信物理學（2022）。DOI： 10.1038/s42005-022-00888-1

L. J. Cornelissen等人，室溫下磁絕緣體中磁子自旋信息的長距離傳輸，Nature Physics（2015）。DOI： 10.1038/nphys3465

期刊信息： 通信物理 ， 自然物理

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