Nelineární jevy objevující se během parametrického pumpování spinových vln

Abstract

Spinové vlny (SW) jsou slibným nosičem informací pro budoucí výpočetní platformy, neboť se šíří s minimálními energetickými ztrátami. Pro praktické využití je však zásadní efektivní buzení a detekce SW v nanoměřítku. Běžné, lineární buzení těchto SW pomocí RF antény je nepraktické, protože rozměry antény by se musely rovnat vlnové délce SW. Parametrické pumpování umožňuje buzení SW v nanoměřítku pomocí prostorově neomezené antény. Toho je dosaženo vybuzením dvou protichudných SW na poloviční frekvenci pumpovacího signálu. Tento nelineární proces navíc přináší i nekonvenční interakce SW, které jsou důležité například pro neuromorfní výpočty. Pro studium SW v~nanoměřítku je skvělým nástrojem skenovací transmisní rentgenová mikroskopie (STXM), která nabízí rozlišení v řádu desítek nanometrů. Její povaha „pump-probe“ (stimulace a~následná detekce) ji však omezuje v případech, kdy frekvence SW není přesně polovina budicí frekvence, jako je tomu v režimu neadiabatického parametrického pumpování (pomocí budicí antény s konečnou šířkou). Mikroskopie mikrofokusovaného Brillouinova rozptylu světla umožňuje detekci širokého spektra frekvencí, čímž překonává toto omezení, a v kombinaci s Mieho rezonancí umožňuje detekci SW v nanoměřítku. Pomocí této techniky pozorujeme a charakterizujeme nelineární SW vznikající parametrickým pumpováním a vícenásobným rozptylem magnonů, což nám poskytuje klíčový vhled do chování SW v nelineárním režimu.

Spin waves (SWs) are a promising information carriers for future computing platforms as they propagate with minimal energy loss. However, efficient excitation and detection of SWs at the nanoscale wavelengths is essential for applications. Conventional linear excitation of such SWs using an RF antenna is impractical because the antenna's dimensions must be comparable to the SW wavelength. Parametric pumping enables the excitation of SWs at the nanoscale using a spatially unconstrained antenna by exciting two counter-propagating SWs at half the pumping frequency. This nonlinear process also facilitates unconventional SW interactions, relevant for e.g. neuromorphic computing. For studying nanoscale SWs, Scanning Transmission X-ray Microscopy is a great tool as it provides a~resolution of tens of nanometers. However, its pump-probe nature is limiting when the SW frequency is not exactly half the pumping frequency as in the non-adiabatic parametric pumping regime (using a finite width excitation antenna). Micro-focused Brillouin Light Scattering microscopy allows for broadband frequency detection, overcoming this constraint, and combined with Mie resonance, allows a detection of nanoscale SWs. Using this technique, we observe and characterize nonlinear SWs resulting from parametric pumping and multi-magnon scattering, offering key insights into the behavior of SWs in the nonlinear regime.