​Физики из России и Европы показали принципиальную возможность создания из системы «сверхпроводник — ферромагнетик» магнонных кристаллов — элементарных составляющих будущих посткремниевых электронных устройств, работающих на спиновых волнах. Работа опубликована в журнале Advanced Science.

Магноника изучает возможность передачи и обработки информации с помощью спиновых волн. Если в фотонике мы имеем дело с фотонами или электромагнитными волнами, то в магнонике главная роль за спиновыми волнами или магнонами — гармоническими колебаниями ориентации магнитного момента. В ферромагнетике магнитные моменты электронов, то есть их спины упорядочены, возникающие в этом упорядочении волны называются «спиновыми волнами».

Традиционная магноника сейчас считается перспективной прикладной областью посткремниевой волновой электроники, потому что у спиновых волн есть ряд преимуществ по сравнению, скажем, с СВЧ-фотонами. Например, спиновые волны могут управляться внешним магнитным полем. При этом длина электромагнитной СВЧ-волны — порядка сантиметра, тогда как для спиновых волн того же СВЧ-диапазона она составит микрометры. Поэтому на основе таких управляющих волн можно сделать очень компактное микроустройство для работы с СВЧ-сигналами.

Элементарная система, с которой нужно начинать создавать какие-либо устройства, построенные на работе со спин-волновыми сигналами, — магнонные кристаллы. Они станут базовыми элементами для частотных фильтров и магнонных устройств, которые являются аналогами транзисторов. У магнонных кристаллов потенциально очень широкий спектр применения.

Авторы работы проверяли базовую гипотезу — можно ли из гибридной системы «сверхпроводник — ферромагнетик» сделать магнонный кристалл. Сверхпроводимость и ферромагнетизм сами по себе антагонисты. В сверхпроводниках, в связанных парах электронов (куперовских парах) ориентация спинов направлена противоположно, а в ферромагнетиках — сонаправлена. Традиционно ученые пытаются с помощью ферромагнетизма воздействовать на сверхпроводящие свойства.

«В последние несколько лет удается получить обратную ситуацию. Мы исследуем изначально ферромагнитные системы и смотрим, можно ли с помощью сверхпроводников каким-то образом модифицировать их ферромагнитные свойства. В этом заключается глобальный интерес к данной теме. Традиционно магноника предполагала работу при комнатной температуре. Поэтому раньше ни о какой гибридизации со сверхпроводниками, которые не существуют при комнатной температуре, речи и не шло. К тому же, ферромагнетизм традиционно считается «сильнее» сверхпроводимости и интуитивно не может быть подвержен ее влиянию. Наша лаборатория занимается криогенными системами. И мы себе поставили цель: посмотреть, что можно сделать с магнонными системами при криогенных температурах, заставив их взаимодействовать со сверхпроводниками», — рассказывает Игорь Головчанский, соавтор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.

Основной результат этой работы заключается в том, что показана принципиальная возможность работы с магнонными кристаллами на основе гибридной системы «сверхпроводник — ферромагнетик». Ученые также продемонстрировали, что в них реализуется интересная зонная структура с запрещенными зонами в гигагерцовом диапазоне.

Работа состояла из трех этапов: изготовления и измерения образца с последующим моделированием. Образец представлял собой регулярную сверхпроводящую структуру ниобия (Nb), помещенную поверх тонкой пленки ферромагнитного пермаллоя (Py) — 80% никеля (Ni) к 20% железа (Fe).

 
 
 

Схематическое изображение пропускания спиновых волн через метаматериал и результирующий волновой спектр, отражающий свойства искусственного кристалла

МФТИ

Эту систему установили в криостат и проводили измерения коэффициента пропускания микроволнового сигнала. Если частота сигнала совпадала с фундаментальными частотами системы, наблюдалось резонансное поглощение. Это называется «ферромагнитный резонанс». Полученный в ходе работы спектр состоял из двух линий, а это свидетельствовало о том, что периодическая структура состоит из связанных зон с разными ферромагнитными свойствами. Модуляция ферромагнитных свойств происходила за счет влияния сверхпроводящей структуры. Третьим этапом было «микромагнитное моделирование», с помощью которого авторы смогли воссоздать реальную зонную структуру кристалла, которая состоит из разрешенных и запрещенных зон с разной геометрией.

Техпроцесс создания микроэлектронных компонентов на основе кремния приближается к теоретическому минимуму возможных размеров. Поэтому дальнейшее увеличение вычислительных мощностей, а значит, и миниатюризация компонентной базы требует новых подходов. У исследованных в данной работе систем «сверхпроводник — ферромагнетик» в этом отношении есть хорошие перспективы в волновой электронике, поскольку у сверхпроводников критические размеры меньше микрометра, из-за чего сверхпроводящие элементы можно делать очень маленькими.

Авторы предполагают, что результаты их исследований найдут применение в криогенной СВЧ электронике и магнонике, в том числе квантовой. Ограничением для более широкого применения пока является только невозможность существования такой системы при комнатной температуре.

Совместно с учёными из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ в работе принимали участие их коллеги из МИСиС, Института физики твердого тела РАН, МИФИ, Казанского федерального университета, ВШЭ, Карлсруэского технологического института (Германия), Института нанотехнологий MESA и Университета Твенте (Нидерланды).

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки Российской Федерации.

Похожие новости

  • 09/04/2019

    Российские ученые уточнили, как космические лучи действуют на мозг

    ​Нейрофизиологи из МФТИ, НИИ Анохина и Курчатовского института проследили за действием нейтронов на мозг мышей и пришли к выводу, что они не ухудшают интеллектуальные способности грызунов, но подавляют формирование новых клеток в центре памяти.
    362
  • 08/11/2019

    Получен рекордный ториевый сверхпроводник

    Междисциплинарная группа российских ученых под руководством Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН и Артема Оганова из Сколтеха и МФТИ смогли создать новый гидрид тория, одна молекула которого содержит 10 атомов водорода.
    525
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    596
  • 25/05/2019

    Ученые доказали, что слияние белых карликов не всегда приводит к термоядерному взрыву

    ​Российские ученые из Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова нашли подтверждение тому, что слияние массивных белых карликов не всегда сопровождается термоядерным взрывом, а может привести к образованию нейтронной звезды.
    567
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    663
  • 12/06/2019

    Глава ОИЯИ рассказал о значении участия России в ЦЕРН

    Полноправное участие России в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) необходимо для участия отечественных ученых в проектах в области физики высоких энергий и приведет к укреплению позиций российской науки в мире, считает директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик Виктор Матвеев.
    501
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    678
  • 23/09/2019

    В России создали диагностическое оборудование для ITER

    ​Российские ученые разработали диагностическое оборудование для Международного экспериментального ядерного реактора ITER, которое может работать в экстремальных условиях. Это ускорит процесс строительства нового, более экологичного и безопасного источника энергии.
    317
  • 20/07/2018

    Физики из России создали «лампочку» из оптоволокна, работающую в космосе

    ​Российские ученые создали прототип оптоволоконных источников света, способных работать в космосе и не разрушаться под действием радиации. "Инструкции" по их сборке были опубликованы в Journal of Lightwave Technology.
    622
  • 17/05/2019

    Ученые РФ и США научились менять 3D-геном для подавления генов, вызывающих опухоли

    ​Международная группа ученых нашла способ изменить пространственную организацию генома (3D-геном) для подавления образующих рак генов. Научная работа открывает новые возможности в создании лекарств для лечения онкологических заболеваний посредством изменения работы генов, пресс-служба Российского научного фонда, грантами которого на разных этапах было поддержано исследование.
    826