Европейским ученым удалось с высокой точностью экспериментально обнаружить нутацию спина в ферромагнетиках и напрямую (с помощью вынужденного резонанса) измерить ее частоту и время релаксации. Сам эффект был недавно предсказан за счет введения инерционного слагаемого в уравнение Ландау — Лифшица — Гильберта, которое, в частности, описывает процесс вынужденного наносекундного переворота спина в магнитных носителях информации.

Полученные данные о спиновой динамике в ферромагнетиках не только расширяют представления ученых о фундаментальных механизмах сверхбыстрого магнетизма, но и могут привести к созданию существенно более энергоэффективных и быстрых магнитных носителей информации.

Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Сейчас существенная часть информации хранится в виде мельчайших магнитных битов на тонкопленочных материалах в жестких дисках. В таких битах роль нулей и единиц играет расположение магнитных моментов (спинов) атомов вещества-носителя, а запись информации выполняется за счет интенсивных и сильно локализованных магнитных полей, действующих на временных масштабах порядка наносекунд.

Динамика спинов в таких процессах, в свою очередь, описывается уравнением Ландау — Лифщица — Гильберта (ЛЛГ), и до недавнего времени считалось, что в это уравнение заложена вся физика магнитной динамики, а оптимизация процессов записи информации может быть основана только на нем.

Однако в 1996 году экспериментально подтвердилось существование процессов спиновой динамики с временными масштабами в несколько пикосекунд, которые не могут быть описаны уравнением ЛЛГ, что привело к рождению нового направления в физике по изучению так называемого сверхбыстрого магнетизма.

Одним из способов решить возникшее расхождение наблюдений и теории оказалось введение в уравнение ЛЛГ инерционного слагаемого, которое приводило бы к нутации спина — его частым колебаниям в окрестности своей стандартной траектории прецессии, подобно колебаниям гироскопа при попытке вывести ее из равновесия.

Но для экспериментальных измерений такого явления физикам не хватало источников магнитного поля с достаточно высокой частотой.

Теперь же генерация периодического магнитного поля с частотой вплоть до терагерца стала возможна на установках по ускорению коротких пучков электронов с высоким общим зарядом, к примеру на TELBE в Центре им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф в Дрездене. Именно эта установка послужила источником излучения для работы Кумара Нираджа (Kumar Neeraj) из Стокгольмского университета, который вместе с коллегами облучал ферромагнитные образцы и наблюдал за их вынужденным резонансом по полярному магнтитооптическому эффекту Керра.