DMI ermöglicht Magnon

Eine internationale Forschergruppe hat mithilfe der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) einen gemischten Magnonenzustand in einem organischen Hybrid-Perowskit-Material erzeugt. Das resultierende Material hat das Potenzial, Quantencomputerinformationen zu verarbeiten und zu speichern. Die Arbeit erweitert auch die Anzahl potenzieller Materialien, die zur Schaffung hybrider magnonischer Systeme verwendet werden können.

In magnetischen Materialien lenken Quasiteilchen, sogenannte Magnonen, den Elektronenspin innerhalb des Materials. Es gibt zwei Arten von Magnonen – optische und akustische –, die sich auf die Richtung ihres Spins beziehen.

„Sowohl optische als auch akustische Magnonen verbreiten Spinwellen in Antiferromagneten“, sagt Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied des Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) an der North Carolina State University. „Aber um Spinwellen zur Verarbeitung von Quanteninformationen zu nutzen, braucht man einen gemischten Spinwellenzustand.“

„Normalerweise können zwei Magnonmoden aufgrund ihrer unterschiedlichen Symmetrien keinen gemischten Spinzustand erzeugen“, sagt Sun. „Aber durch die Nutzung des DMI entdeckten wir einen hybriden Perowskit mit einem gemischten Magnonzustand.“ Sun ist auch korrespondierender Autor der Studie.

Dies erreichten die Forscher, indem sie dem Material ein organisches Kation hinzufügten, wodurch eine besondere Wechselwirkung namens DMI entstand. Kurz gesagt, der DMI bricht die Symmetrie des Materials und ermöglicht so die Vermischung der Spins.

Das Team verwendete einen magnetischen organisch-anorganischen Hybrid-Perowskit auf Kupferbasis, der eine einzigartige oktaedrische Struktur aufweist. Diese Oktaeder können sich auf unterschiedliche Weise neigen und verformen. Die Zugabe eines organischen Kations zum Material bricht die Symmetrie und erzeugt Winkel innerhalb des Materials, die eine Kopplung der verschiedenen Magnonmoden und eine Vermischung der Spins ermöglichen.

„Abgesehen von den Quantenimplikationen ist dies das erste Mal, dass wir eine gebrochene Symmetrie in einem hybriden organisch-anorganischen Perowskit beobachten“, sagt Andrew Comstock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am NC State und Erstautor der Forschung.

„Wir haben herausgefunden, dass das DMI eine Magnonenkopplung in kupferbasierten Hybrid-Perowskit-Materialien mit den richtigen Symmetrieanforderungen ermöglicht“, sagt Comstock. „Das Hinzufügen verschiedener Kationen erzeugt unterschiedliche Effekte. Diese Arbeit eröffnet wirklich Möglichkeiten, eine Magnonenkopplung aus vielen verschiedenen Materialien zu erzeugen – und die Untersuchung der dynamischen Effekte dieses Materials kann uns auch neue Erkenntnisse über die Physik lehren.“

Die Arbeit erscheint in Nature Communications und wurde hauptsächlich vom Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) des US-Energieministeriums unterstützt. Chung-Tao Chou vom Massachusetts Institute of Technology ist Co-Erstautor der Arbeit. Luqiao Liu vom MIT sowie Matthew Beard und Haipeng Lu vom National Renewable Energy Laboratory sind mitkorrespondierende Autoren der Studie.

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Hinweis für die Redaktion: Es folgt eine Zusammenfassung.

"Hybride Magnonik in hybriden Perowskit-Antiferromagneten"

DOI:10.1038/s41467-023-37505-in

Autoren: Andrew Comstock, Tonghui Wang, Aram Amassian, Dali Sun, North Carolina State University; Chung-Tao Chou, Luqiao Liu, Massachusetts Institute of Technology; Zhiyu Wang, Universität für Wissenschaft und Technologie Hongkong; Ruyi Song, Duke University; JosephSklenar, Wayne State University; Wei Zhang, University of North Carolina, Chapel Hill; Haipeng Lu, Matthew Beard, National Renewable Energy LaboratoryVeröffentlicht: 1. April 2023 in Nature Communications

Abstrakt: Hybride magnonische Systeme sind aufgrund ihrer umfangreichen quantentechnischen Funktionalitäten ein Neuling für die kohärente Informationsverarbeitung. Ein prototypisches Beispiel ist die hybride Magnonik in Antiferromagneten mit einer Easy-Plane-Anisotropie, die durch die Kopplung akustischer und optischer Magnonen einem quantenmechanisch gemischten Zwei-Ebenen-Spinsystem ähnelt. Im Allgemeinen ist die Kopplung zwischen diesen orthogonalen Moden aufgrund ihrer entgegengesetzten Parität verboten. Hier zeigen wir, dass die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI), eine chirale antisymmetrische Wechselwirkung, die in magnetischen Systemen mit niedriger Symmetrie auftritt, diese Einschränkung aufheben kann. Wir berichten, dass geschichtete Hybrid-Perowskit-Antiferromagnete mit einem Zwischenschicht-DMI zu einer starken intrinsischen Magnon-Magnon-Kopplungsstärke von bis zu 0,24 GHz führen können, was viermal größer ist als die Verlustraten der akustischen/optischen Modi. Unsere Arbeit zeigt, dass der DMI in diesen Hybrid-Antiferromagneten vielversprechend für die Nutzung der Magnon-Magnon-Kopplung ist, indem er die Symmetriebrechung in einer hochgradig abstimmbaren, lösungsverarbeitbaren magnetischen Schichtplattform nutzt.