Illustration on magnetic reversal patterns
Illustration on magnetic reversal patterns

Orde uit chaos; hoe magnon-polarons zichzelf organiseren

Zo’n 20 jaar lang werd verondersteld dat magnetisatie-omkering een fundamentele snelheidsgrens heeft, vanwege de chaos die ontstaat in het geval van een hele korte tijdsschaal. Onderzoekers van het HFML-FELIX laboratorium hebben nu ontdekt dat deze chaos eigenlijk zelf-organiserende magnetische patronen kan laten ontstaan. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Verrassende ontdekking

Tijdens het bestuderen hoe raster vibraties, gedreven door resonantie, magnetisatie kunnen beïnvloeden in een ijzeren granaat, zag het team van onderzoekers - Maxime Gidding, Thom Janssen, Carl Davies en Andrei Kirilyuk – iets eigenaardigs. Binnen nanoseconden na het ontvangen van een sterke pomp impuls van een holte-gedumpte vrije elektron laser bij FELIX, werden scherpe golven van gewisselde magnetisatie gezien die zich vanuit het centrum van de bestraalde plek naar buiten verspreidden.

Ondanks het feit dat de pomp plek bijna homogeen is, heeft dit patroon van gewisselde magnetisatie hele kleine groottes, in de orde van micrometers. Zo’n klein patroon, voortkomend uit een veel grotere agitatie, zou simpelweg niet mogen bestaan. Verder onderzoek toonde aan dat dit gevormd wordt door een sterke interactie van veren met het kristallen raster, waardoor speciale partikels gevormd worden, magnon-polarons genaamd, die op een coherente wijze interageren en condenseren tot een patroon van wisselende magnetisatie.

Illustration on magnetic reversal patterns

Basis voor nieuw onderzoek

De waargenomen dynamische zelf-organisatie van magnon-polarons biedt een verrassende en contra-intuïtieve benadering voor het genereren van kleine golf kenmerken.

Bovendien leidt het feit dat de elastische golven en spinnende golven fase-gesynchroniseerd zijn tot een intrigerende richting voor toekomstig onderzoek. Het fenomeen van golf synchronisatie dekt een heel breed spectrum van wetenschap, met bijzondere relevantie in hersenonderzoek, waarbij golf meevoering het leerproces en het geheugen stuurt.

De ontdekking dat zelf-organisatie en patroon formatie gelijk gezien kunnen worden in de vorm van magnon-polarons, geeft aan dat magnetische materialen een excellent modelsysteem bieden om dergelijke processen te bestuderen.

Artikel

M. Gidding, T. Janssen, C. S. Davies and A. Kirilyuk “Dynamics self-organisation and pattern formation by magnon-polarons” Nat. Commun. 14, 2208 (2023). https://www.nature.com/articles/s41467-023-37919-6