Onverwachte ontdekking
Binnen het Europese NIMFEIA-project onderzoeken natuurkundigen Johan Mentink en Lukas Körber van de Radboud Universiteit magnetische wervels: een soort minuscule draaikolken in dunne magnetische schijven. In deze structuren rangschikken magnetische momenten zich als kleine kompasnaaldjes in een wervelend patroon rond de wervelkern. Wanneer de kern verplaatst en losgelaten wordt, begint hij rond zijn evenwichtspunt te draaien. Deze beweging heet gyratie.
Het team bestudeert hoe magnonen (magneetgolven) zich gedragen in deze wervels. Tijdens numerieke simulaties ontdekte Körber onverwachte patronen in deze magneetgolven. "Toen we de wervelkern lieten bewegen, verschenen er plotseling extra golven die we nog nooit hadden gezien. Het leek een berekeningsfout," vertelt Körber. Jaren later observeerde PhD-student Christopher Heins uit Dresden binnen het NIMFEIA-project exact dezelfde patronen experimenteel. "Op dat moment wisten we dat we terug moesten naar die eerste resultaten om te begrijpen wat er werkelijk gebeurde," aldus Körber.
Floquet-engineering
De extra golven bleken een kenmerk van Floquet theorie, een oude en relatief onbekende theorie waarmee je periodiek aangedreven systemen kan beschrijven. Door periodieke aandrijving, bijvoorbeeld met laserlicht, kunnen materialen hele nieuwe eigenschappen krijgen. Dit wordt Floquet-engineering genoemd. Tot nu toe was dit vooral onderzocht voor elektronen. Voor magnonen is het lastig te realiseren, omdat de koppeling van laserlicht aan magnonen relatief zwak is en snel uitdempt.
Körber legt uit: “In dit onderzoek hebben we laten zien dat Floquet-toestanden ook kunnen ontstaan in een magnetische wervel. Als de wervelkern gaat gyreren, wordt het systeem van de magneet intern in plaats van extern aangedreven. De magnonen vormen hierdoor nieuwe energiebanden: de Floquet-toestanden.”
Zelf-aandrijvend systeem
De gyratie van de wervelkern kan direct worden opgewekt door de wervelkern te stimuleren met een extern magnetisch veld in het MHz bereik. Maar het team ontdekte dat het ook indirect kan: door de magnonen met een extern magnetisch veld in het GHz-bereik te stimuleren. Trillingen van de magnonen kunnen de vortexkern aanzetten tot bewegen, die op zijn beurt hun energieverdeling verandert. De wervelkern beïnvloedt daarna de magnonen weer, waardoor het als het ware een zelf-aandrijvend systeem wordt. Dit soort zelf-aandrijvende Floquet systemen zijn nog nooit eerder gezien en kunnen alleen ontstaan in sterk niet-lineaire systemen zoals magneten.
Mentink: ‘Deze ontdekking biedt een heel nieuw perspectief op Floquet-engineering: het gedrag van niet-lineaire golven is normaal heel moeilijk te begrijpen, helemaal als de golven periodiek worden aangedreven. We hebben nu ontdekt dat dit toch relatief eenvoudig kan met de Floquet theorie. Dit biedt mogelijkheden voor onderzoek die verder gaan dan magnetische systemen en kan heel relevant zijn voor andere gebieden in de natuurkunde.’
