náhled|Magnetismus Magnonika je rozvíjející se obor moderního magnetismu, který lze považovat za podobor fyziky pevných látek. Magnonika spojuje studium vlnění a magnetismu. Jejím hlavním cílem je zkoumat chování spinových vln v nanostrukturovaných prvcích. Spinové vlny jsou v podstatě šířící se přeuspořádání magnetizace v materiálu a vznikají v důsledku precese magnetických momentů. Magnetické momenty jsou důsledkem orbitálních a spinových momentů elektronu, přičemž k čistému magnetickému momentu nejčastěji přispívá právě moment spinový.
V návaznosti na úspěch moderních pevných disků existuje v současnosti značný zájem o budoucí magnetické ukládání dat a využití spinových vln pro účely, jako je „magnonická“ logika a datová úložiště. Podobně se spintronika snaží využít vlastní spinový stupeň volnosti, který by doplňoval již úspěšně využívanou vlastnost náboje elektronu v současné elektronice. Moderní magnetismus se zabývá prohlubováním porozumění chování magnetizace na velmi malých (submikrometrových) délkách a velmi rychlých (subnanosekundových) časových škálách a tím, jak lze tyto poznatky využít ke zlepšení stávajících nebo vytváření nových technologií a výpočetních konceptů. Na katedře elektrotechniky a počítačového inženýrství Národní univerzity v Singapuru bylo vynalezeno a později zdokonaleno zařízení využívající magnonový moment, které vychází z těchto potenciálních možností využití; výsledky byly publikovány v listopadu 2019 v časopise Science.
Magnonický krystal je magnetický metamateriál se střídajícími se magnetickými vlastnostmi. Stejně jako u konvenčních metamateriálů vyplývají jejich vlastnosti spíše z geometrického uspořádání než přímo z jejich pásové struktury nebo složení. Malé prostorové nehomogenity vytvářejí efektivní makroskopické chování, což vede k vlastnostem, které se v přírodě běžně nevyskytují. Střídáním parametrů, jako je relativní permeabilita nebo nasycená magnetizace, vzniká možnost vytvářet v materiálu „magnonické“ zakázané pásy. Vyladěním velikosti tohoto zakázaného pásu by se prostředím mohly šířit pouze ty módy spinových vln, které jsou schopny pás překonat, což vede k selektivnímu šíření určitých frekvencí spinových vln.
Teorie Spinové vlny se mohou šířit v magnetických médiích s magnetickým uspořádáním, jako jsou feromagnetika a antiferomagnetika. Frekvence precese magnetizace závisí na materiálu a jeho magnetických parametrech. Obecně se precesní frekvence pohybují v mikrovlnné oblasti od 1 do 100 GHz, přičemž výměnné rezonance v konkrétních materiálech mohou dosahovat frekvencí až několika THz. Tato vyšší frekvence precese otevírá nové možnosti pro analogové i digitální zpracování signálu.
Samotné spinové vlny mají grupové rychlosti v řádu několika kilometrů za sekundu. Tlumení spinových vln v magnetickém materiálu také způsobuje, že amplituda spinové vlny s rostoucí vzdáleností klesá, což znamená, že vzdálenost, kterou mohou volně se šířící spinové vlny urazit, je obvykle jen několik desítek μm. Tlumení dynamické magnetizace je fenomenologicky zohledněno Gilbertovou konstantou tlumení v Landauově–Lifshitzově–Gilbertově rovnici (rovnice LLG), která slouží jako „pohybová rovnice“ pro magnetizaci.
Samotný mechanismus energetických ztrát není zcela objasněn, ale je známo, že mikroskopicky vzniká v důsledku rozptylu magnon-magnon, magnon-fonon a ztrát způsobených vířivými proudy. Všechny vlastnosti magnetických systémů, jako je vnější předpěťové pole, výměnná interakce vzorku, anizotropie a dipolární pole, jsou popsány pomocí „efektivního“ magnetického pole, které do Landauovy–Lifshitzovy–Gilbertovy rovnice vstupuje. Studium tlumení v magnetických systémech je stále aktuálním tématem moderního výzkumu. Rovnici LL zavedli v roce 1935 Landau a Lifshitz pro modelování precesního pohybu magnetizace M v pevné látce s efektivním magnetickým polem H(eff) a s tlumením. Později Gilbert upravil člen tlumení, což v limitě slabého tlumení dává identické výsledky.
Teoretický výzkum v magnonice se zaměřuje především na numerické modelování a simulace, takzvané mikromagnetické modelování. Programy jako OOMMF, NMAG nebo mumax3 jsou mikromagnetické řešiče, které numericky řeší rovnici LLG s odpovídajícími okrajovými podmínkami. Před zahájením simulace se stanoví magnetické parametry vzorku, počáteční magnetizace základního stavu a podrobnosti o předpěťovém poli.
Reference
Kategorie:Fyzika Kategorie:Magnetismus