Jednosmerné okrajové stavy v magnónovom kryštáli

V poslednom desaťročí sa výskum topologických izolátorov stal horúcou témou v rôznych oblastiach fyziky. Ich nezvyčajné vlastnosti vzbudzujú záujem vedcov zameraných na základný aj aplikovaný výskum.

Jednou z najzaujímavejších vlastností topologického izolátora je fakt, že jeho vnútro je izolant, pričom na povrchu existujú vodivé stavy. V 2D verzii topologického izolátora sú tieto vodivé okrajové stavy chránené proti rozptylu a pohybujú sa pozdĺž okraja iba v jednom predpísanom smere. To z nich robí sľubných kandidátov na nosiče informácií v budúcich počítačových súčiastkách.

Jednosmerné okrajové stavy boli experimentálne pozorované v mnohých fyzikálnych systémoch, ktorých spoločným menovateľom je, že sa v nich môžu šíriť vlny. Ako príklad uveďme elektronické systémy, akustické a fotonické kryštály alebo aj mechanickú mriežku rotujúcich gyroskopov. Vo feromagnetických systémoch, v ktorých existujú spinové (magnónové) vlny, boli tieto topologické okrajové stavy teoreticky predpovedané už pred desiatimi rokmi. Napriek tomu, na ich experimentálne potvrdenie stále čakáme.

Jednou z najväčších výziev brániacej výrobe predpovedaného magnónového topologického kryštálu je jeho vysoko komplexná geometria. V našej nedávnej práci preto navrhujeme taký topologický magnónový kryštál s jednoduchou geometriou, ktorý by mal byť sľubným kandidátom na experimentálnu realizáciu a následné pozorovanie jednosmerných okrajových stavov. Náš magnónový kryštál pozostáva z mriežky tenkých feromagnetických štvorcov, ktoré sú diagonálne rozrezané na rovnaké rovnoramenné trojuholníky. Táto geometria je relatívne jednoduchá na výrobu, pretože môže byť vyrobená z homogénnej feromagnetickej vrstvy vyrezaním priamych vertikálnych, horizontálnych a diagonálnych čiar.

Numericky sme ukázali, že ak náš magnónový kryštál umiestnime do kolmého magnetického poľa, spinové vlny sa budú šíriť iba na jeho okrajoch a v jednom smere, pričom tento smer závisí od veľkosti poľa.

Numerická simulácia jednosmerného okrajového stavu v našom magnónovom kryštáli. Červený kruh zobrazuje miesto v kryštáli, kde je spinová vlna vybudená. Následne sa spinová vlna pohybuje v smere hodinových ručičiek pozdĺž okraja kryštálu a nerozptyľuje sa do opačného smeru, aj keď narazí na defekt (červený štvorec).

 

Feilhauer, J., Zelent, M., Zhang, Z., Christensen, J., and Mruczkiewicz, M.: Unidirectional spin-wave edge modes in magnonic crystal, APL Mater. 11 (2023) 021104.