Οπτομαγνονικές Δομές

Η οπτοηλεκτρονική και η σπιντρονική είναι δυο αναδυόμενες τεχνολογίες στην κούρσα της διαδοχής των νανοηλεκτρονικών διατάξεων, λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ισχύος και των αυξημένων δυνατοτήτων χωρητικότητας μνήμης και ταχύτητας επεξεργασίας που υπόσχονται. Οι τεχνολογίες αυτές χρησιμοποιούν το φωτόνιο και τη μαγνητική ροπή (σπιν) του ηλεκτρονίου, αντίστοιχα, αντί του ηλεκτρονιακού φορτίου, ως φορείς της πληροφορίας.

Η αλληλεπίδραση φωτός με τη μαγνήτιση και δυναμικές διεγέρσεις της (κύματα σπιν) σε μαγνητικά νανοϋλικά θα μπορούσε να αποτελέσει συνδετικό κρίκο για τον επωφελή συνδυασμό των δύο προαναφερθεισών τεχνολογιών και των συγκριτικών πλεονεκτημάτων τους, με σκοπό το σχεδιασμό ολοκληρωμένων οπτοηλεκτρονικών κυκλωμάτων επόμενης γενεάς και καινοτόμων υβριδικών νανοδιατάξεων επεξεργασίας της πληροφορίας. Επιπλέον, τα κύματα σπιν έχουν συχνότητα στην περιοχή των GHz και μπορούν να διεγερθούν με απορρόφηση μικροκυμάτων. Επομένως, μια διαδικασία που στη συνέχεια θα οδηγούσε σε απορρόφηση κύματος σπιν από φως θα αντιστοιχούσε ουσιαστικά σε μετατροπή φωτονίων από την περιοχή των μικροκυμάτων σε αυτή στο ορατό και το υπέρυθρο τμήμα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με διάμεσο τα μαγνόνια (κβάντα των κυμάτων σπιν στη σωματιδιακή τους εικόνα), κάτι που θα άνοιγε νέες προοπτικές στην επεξεργασία σήματος.

Οι δυνατότητες όμως αυτές περιορίζονται γιατί η μαγνητο-οπτική σύζευξη στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου είναι εγγενώς εξαιρετικά ασθενής. Θα μπορούσε βέβαια η σύζευξη αυτή να ενισχυθεί σημαντικά αν αναγκάζαμε τα δύο αλληλεπιδρώντα κυματικά πεδία να παραμείνουν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε μια μικρή περιοχή του χώρου. Με άλλα λόγια, αν μπορούσαμε να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε μια μικρο-κοιλότητα συντονισμού με διπλή λειτουργικότητα, για φως και για κύματα σπιν.

Το 2016, ερευνητές στα πανεπιστήμια του Tokyo, του Yale και του Cambridge κατάφεραν, ανεξάρτητα, να υλοποιήσουν μια τέτοια οπτομαγνονική κοιλότητα συντονισμού [1-3]: Ένα σφαιρίδιο διαμέτρου περίπου 1 mm από μονοκρύσταλλο σιδηρογρανάτη του υττρίου (ένα σιδηριμαγνητικό διηλεκτρικό υλικό με χαμηλές απώλειες, συντομογραφικά YIG), που εγκλωβίζει το φως σε καταστάσεις συντονισμού με μορφή στάσιμων κυμάτων κοντά στην επιφάνεια ενώ, ταυτόχρονα, υποστηρίζει μαγνητικές διεγέρσεις ομοιόμορφης περιστροφής της μαγνήτισης. Αυτό που είναι σημαντικό και πρέπει να τονισθεί είναι ότι οι οπτικοί αυτοί συντονισμοί απέχουν μεταξύ τους μερικά GHz και, ενώ έχουν ιδιοσυχνότητες εκατοντάδων THZ, είναι τόσο στενοί λόγω του μεγάλου χρόνου ζωής τους, που είναι ευδιάκριτοι. Το σύστημα μπορεί να ρυθμισθεί κατάλληλα ώστε ένα μαγνόνιο να προσφέρει ακριβώς την απαιτούμενη ενέργεια (ίση με τη συχνότητα επί τη σταθερά του Planck) για να μεταπηδήσει ένα προσπίπτον φωτόνιο από μια μακρόβια κατάσταση συντονισμού σε μια άλλη γειτονική της.

Πράγματι, ισχυρή μαγνητο-οπτική αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε σε αυτό το καθεστώς του τριπλού συντονισμού, δηλαδή συντονισμού για το εισερχόμενο φως, το εξερχόμενο φως και το κύμα σπιν, παρόλο που τα κυματικά πεδία δεν έχουν βέλτιστη επικάλυψη στο χώρο, εφόσον το φως εγκλωβίζεται κοντά στην επιφάνεια ενώ το κύμα σπιν σε όλον τον όγκο της σφαίρας.

Παράλληλα, ερευνητική ομάδα του Τμήματος Φυσικής του ΕΚΠΑ, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» εισηγήθηκε μια εναλλακτική αρχιτεκτονική οπτομαγνητικής κοιλότητας συντονισμού από πολυστρωματικά υμένια. Εδώ οι οπτικοί συντονισμοί μπορούν να ρυθμισθούν κατά βούληση με την εισαγωγή ενός στρώματος YIG, που υποστηρίζει κύματα σπιν, σε μια περιοδική εναλλαγή δύο διηλεκτρικών στρωμάτων. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να επιτευχθούν σημαντικά υψηλότερες αποδόσεις λόγω της δραστικής σμίκρυνσης των διαστάσεων και του γεγονότος ότι φως και κύματα σπιν εγκλωβίζονται ταυτόχρονα επί μακρόν στην ίδια περιοχή, σε όλο το στρώμα YIG.

Το αντικείμενο της οπτομαγνονικής συγκεντρώνει διαρκώς αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον, διεθνώς, τόσο από άποψη βασικής φυσικής όσο και εν δυνάμει τεχνολογικών εφαρμογών. Σχετικά πρόσφατα, ο Δρ. Ε. Αλμπάνης, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ, επιμελήθηκε την έκδοση ενός βιβλίου που περιγράφει τις εξελίξεις στο συγκεκριμένο πεδίο [5].

[1] A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, K. Usami, M. Sadgrove, R. Yalla, M. Nomura, and Y. Nakamura, Phys. Rev. Lett. 116, 223601 (2016).

[2] X. Zhang, N. Zhu, C.-L. Zou, and H. X. Tang, Phys. Rev. Lett. 117, 123605 (2016).

[3] J. A. Haigh, A. Nunnenkamp, A. J. Ramsay, and A. J. Ferguson, Phys. Rev. Lett. 117, 133602 (2016).

[4] P. A. Pantazopoulos, N. Stefanou, E. Almpanis, and N. Papanikolaou, Phys. Rev. B 96, 104425 (2017).

[5] Optomagnonic Structures: Novel Architectures for Simultaneous Control of Light and Spin Waves, edited by E. Almpanis, World Scientific, Singapore (2021).