Magnon-phonon coupling of synthetic antiferromagnets in a surface acoustic wave cavity resonator

Technische Samenvatting: Magnon-fofonkoppeling in synthetische antiferromagneten binnen een SAW-holteresonator

Probleemstelling
De interactie tussen fononen en magnonen is een cruciaal onderzoeksgebied voor de vooruitgang van kwantumtechnologieën en het begrijpen van koppelingsmechanismen. Hoewel sterke magnon-fofonkoppeling een afstemming vereist van de resonantiefrequenties van oppervlakte-akoestische golven (SAW's) en magnonen, bestaat er een aanzienlijke uitdaging in ferromagnetische dunne films. Typisch liggen de magnon-resonantiefrequentie in dergelijke films in het multi-GHz bereik, terwijl SAW's vaak worden geëxciteerd bij lagere frequenties (rond 1 GHz). Om frequentieafstemming te bereiken, hebben onderzoekers historisch gebruikgemaakt van materialen met een lage magnetisatie, zoals Nikkel (Ni). Zelfs in Ni zijn de vereiste magnetische velden om deze frequenties af te stemmen vaak klein, wat leidt tot de vorming van multidomeinen die coherente excitatie van magnonen belemmeren. Bovendien heeft de kwaliteitsfactor van SAW-holteresonatoren de neiging te verslechteren bij hogere frequenties. Bijgevolg is er een behoefte aan een systeem dat het mogelijk maakt om de studie van magnon-fofonkoppeling in materialen met een grote verzadigingsmagnetisatie te doen, terwijl de condities voor coherente excitatie behouden blijven.

Methodologie
De auteurs onderzochten de magnon-fofonkoppeling met behulp van een synthetische antiferromagnet (SAF) bestaande uit een CoFeB/Ru/CoFeB-trilaag, waarbij dit werd vergeleken met een CoFeB enkelvoudige referentiefilm. De experimentele opstelling omvatte een SAW-holteresonator gefabriceerd op een piëzo-elektrisch Y+128°-gesneden LiNbO3-substraat. Het apparaat beschikte over interdigitale transducers (IDT's) en Bragg-reflectoren van Ti/Au om SAW's te confines, waardoor een holte ontstond met een kwaliteitsfactor die de $10^3$ overschrijdt bij kamertemperatuur.

De SAF-structuur bestond uit Ta(3)/Ru(3)/CoFeB(5)/Ru(0.53)/CoFeB(5)/Ru(3) (diktes in nm), terwijl de referentiebemonstering een 10 nm dikke CoFeB enkelvoudige laag was. De onderzoekers gebruikten een vector netwerk analyzer (VNA) om de verstrooiingsmatrix ($S_{ij}$) van het apparaat te meten. Door een in-plane extern magnetisch veld ($H_{ext}$) toe te passen bij verschillende hoeken ($\phi_H$), moduleerden zij de magnetisatierichting en de magnon-resonantiefrequentie. De transmissiespectra ($|S_{21}|^2$) werden geanalyseerd om veranderingen in amplitude, resonantiefrequentie en spectrale breedte ($\kappa_a$) te observeren naarmate de magnonfrequentie de SAW-holteresonantiefrequentie (ongeveer 1,8 GHz) naderde.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. SAF als Superieur Platform: De studie toont aan dat de SAF-structuur de akoestische magnon-resonantiefrequentie aanzienlijk verlaagt in vergelijking met een enkelvoudige ferromagnetische laag. Deze verschuiving zorgt ervoor dat de magnon- en SAW-resonantiefrequenties samenvallen bij een voldoende groot extern magnetisch veld ($\mu_0 H_{res} \approx 16,7$ mT), een conditie waarbij de vorming van multidomeinen wordt onderdrukt, wat coherente magnonexcitatie mogelijk maakt. In tegenstelling hiertoe vertoonde de CoFeB enkelvoudige film minimale veranderingen in het SAW-spectrum onder vergelijkbare omstandigheden, aangezien het resonantieveld nabij nul ligt, wat leidt tot incoherente excitatie door domeinvorming.
2. Modulatie van de Spectrale Breedte: Wanneer de akoestische magnonen in de SAF nabij resonantie werden geëxciteerd, observeerden de onderzoekers duidelijke modificaties in het SAW-holtetransmissiespectrum. Specifiek, bij het resonantieveld nam de transmissieamplitude ($A_a$) af, verschoof de resonantiefrequentie ($\omega_a$) en breedde de spectrale breedte ($\kappa_a$) aanzienlijk uit. Deze veranderingen waren minimaal in de enkelvoudige referentiebemonstering.
3. Kwantitatieve Koppelingssterkte: Door de analyse van het verschil in spectrale breedte tussen de resonante en off-resonante condities, en door gebruik te maken van een macrospin-achtig model gebaseerd op de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) vergelijking en elastische golfvergelijkingen, kwantificeerden de auteurs de koppeling.
   • De magnon-fofonkoppelingsconstante ($g$) werd geschat op $\sim 15,6$ MHz bij een SAW-resonantiefrequentie van -1,8 GHz.
   • De bijbehorende magnomechanische cooperativiteit ($C$) werd berekend op $\sim 0,66$.
4. Angulaire Afhankelijkheid: De cooperativiteit $C$ vertoonde een sterke afhankelijkheid van de magnetische veldhoek ($\phi_H$), waarbij een maximum werd bereikt bij $60^\circ$ en $120^\circ$. De auteurs schrijven dit toe aan de aanwezigheid van een uniaxiale magnetische anisotropie (waarschijnlijk vormanisotropie) in de CoFeB-lagen, die de relatieve hoek tussen de magnetisatie en het rekveld beïnvloedt. Numerieke berekeningen uitgaande van uniaxiale anisotropie kwamen goed overeen met deze experimentele observaties.

Betekenis
Het artikel stelt dat synthetische antiferromagneten een ideaal platform bieden voor het bestuderen van magnon-fofonkoppeling in SAW-holteresonatoren. Door de beperkingen van enkelvoudige ferromagnetische films te overwinnen—met name het probleem van multidomeinvorming bij lage magnetische velden—maakt de SAF-structuur de exploratie van materialen met een grote verzadigingsmagnetisatie en potentieel lage magnetische demping mogelijk. De succesvolle kwantitatieve reproductie van experimentele resultaten met behulp van macrospin-modellen en de extractie van een koppelingsconstante die vergelijkbaar is met of groter is dan eerder gerapporteerde waarden in Ni-films, suggereren dat SAF's een levensvatbaar en effectief medium zijn voor on-chip caviteitsmagnonica. Dit werk legt een fundament voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën die vertrouwen op sterke magnon-fofoninteracties zonder de beperkingen van materialen met een lage magnetisatie.