Магнитные возбуждения в квантовом материале способны сохранять энергию значительно дольше ожидаемого. К такому выводу пришли специалисты Института Пауля Шеррера, изучившие поведение магнонов — коллективных волн спинов электронов. Их продолжительное существование может создать условия для логических операций в будущих вычислительных системах с меньшим энергопотреблением.
Работа посвящена перспективам спинтроники — технологии, использующей не только движение электрического заряда, но и магнитные свойства электронов. В обычных кремниевых микросхемах перенос зарядов сопровождается выделением тепла, а дальнейшее уменьшение транзисторов становится всё сложнее. Магноны могут передавать информацию через материал в виде волны, не требуя перемещения самих электронов по тому же пути.
Эксперимент провели на оксиде меди, где магнитные свойства и колебания кристаллической решётки сильно связаны. Учёные воздействовали на образец интенсивным сверхкоротким лазерным импульсом, после чего в течение фемтосекунд — квадриллионных долей секунды — возникали магноны. Затем, за пикосекунды, магнитные волны рассеивались друг на друге и переходили в неупорядоченное состояние.
Передача энергии от магнонов к колебаниям атомов происходила лишь через наносекунды, то есть миллиардные доли секунды. Для процессов, начавшихся на фемтосекундных масштабах, это необычно длительный срок. «Учитывая сильную связь между магнетизмом и решёткой оксида меди, нас удивило, как долго сгенерированные магноны передают свою энергию решётке», — сказал первый автор работы Арнау Ромагера из Центра фотонных наук Института Пауля Шеррера.
Причину исследователи связывают с различиями между магнонами и фононами — квазичастицами, описывающими колебания атомов в кристалле. Эти возбуждения по-разному соотносят энергию и импульс, поэтому обмен энергией между магнитными волнами и решёткой идёт менее эффективно. «Это регулирует эффективность, с которой магноны могут передавать энергию решётке, приводит к большой продолжительности жизни магнонов и даёт важные сведения о создании материалов, позволяющих по желанию изменять время их существования», — пояснил руководитель проекта Хироки Уэда.
Динамику возбуждений удалось проследить с помощью нескольких рентгеновских методов на установке SwissFEL Института Пауля Шеррера и дополнительных измерений на синхротроне ESRF во французском Гренобле. В схеме «накачка — зондирование» рентгеновский импульс направляли на образец спустя заданный промежуток после оптического лазерного импульса. Сопоставление результатов с квантово-кинетическими расчётами показало в целом хорошее соответствие теории и эксперимента; результаты опубликованы 29 сентября 2026 года в журнале Nature Communications в статье «Иерархическая динамика квазичастиц в антиферромагнетиках, выявленная с помощью рентгеновского рассеяния с разрешением по времени и импульсу» (DOI: 10.1038/s41467-026-77964-5).