Исследователи из МФТИ обнаружили необычное спин-волновое явление в сочетаниях сверхпроводящих и ферромагнитных материалов. Спиновые волны в последнее время рассматриваются в перспективе применений в элементах альтернативной пост-кремниевой электроники. Результаты опубликованы на страницах журнала Advanced Functional Materials.
Спиновая волна и ее зеркальное отражение в сверхпроводнике. Ферромагнетик (красный) помещается на поверхность сверхпроводника (фиолетовый). Сверхпроводник не пускает в себя магнитные поля ферромагнетика. Это эквивалентно взаимодействию спинов в ферромагнетике (красные стрелки) с их зеркальным отображением относительно сверхпроводящей поверхности (синие стрелки)
«Сверхпроводимость и ферромагнетизм являются антагонистическими явлениями – в их основе лежат прямо противоположные основы. Поэтому их сосуществование всегда вызывает фундаментальный интерес. Совмещение в устройствах, так называемая гибридизация, позволяет расширить функциональные возможности этих устройств или осуществить их работу на новых физических принципах», — говорит Игорь Головчанский, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
Традиционно, при сочетании сверхпроводящих и ферромагнитных материалов, происходит модификация сверхпроводящей составляющей системы. Однако, в этой работе при сочетании ниобия и пермаллоя — классических модельных металлических материалов, свои свойства поменяла ферромагнитная составляющая.
Для проведения исследований ученые разместили ферромагнитную пленку из сплава пермаллой на сверхпроводящей ниобиевой поверхности и измеряли сверхвысокочастотные (СВЧ) свойства этой комбинации в магнитном поле. Прохождение СВЧ сигнала вызывало прецессию магнитного момента в пермаллое — вращение вектора намагниченности вокруг направления поля. При совпадении частот СВЧ излучения с частотами резонансной прецессии магнитного момента, т.е. прецессии момента с максимальной амплитудой, в ферромагнетике наблюдался эффект резонансного поглощения излучения. Однако, резонансы происходили не на тех частотах, на которых их следовало ожидать.
По словам Игоря Головчанского: «Наш ключевой экспериментальный результат — то, что эти дополнительные линии спин-волнового резонанса находятся не там, где должны быть, а на более высоких частотах. Такое смещение говорит о повышении фазовой скорости спиновых волн вблизи сверхпроводящей поверхности».
Схема эксперимента. Несколько ферромагнитных пленок из сплава пермаллой (красным) размещены на ко-планарном волноводе, изготовленном из сверхпроводящей ниобиевой пленки Nb (серый); изоляционные зазоры волновода показаны синим. Черные и зеленые стрелки показывают, соответственно, направление распространения СВЧ сигнала и направление внешнего магнитного поля. Ниобиевый волновод в эксперименте выполняет и роль проводника СВЧ сигнала, и роль экранирующей Мейсснеровской поверхности
Исследователям (в составе группы из России, Германии и Нидерландов) удалось получить и теоретическое объяснение эффекта. Моделирование процессов в изучаемой системе позволило сделать вывод о том, что увеличение фазовой скорости спиновой волны в ферромагнетика происходит за счет ее взаимодействия с собственным зеркальным изображением, расположенным по другую сторону сверхпроводящей поверхности, «в зазеркалье». Это изображение, в свою очередь, создается вследствие эффекта Мейсснера — полной экранировки магнитного потока в сверхпроводниках. Тот же эффект работает в популярном опыте с парящим над сверхпроводником магнитом. Достигаемое в результате нового исследования лучшее понимание гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик в перспективе выводит на ряд практических следствий.
«Повышение фазовой скорости спиновых волн может увеличить быстродействие системы или снизить энергопотребление системы за счет уменьшения прикладываемого для достижения необходимых частот магнитного поля. Глобально, результаты этой работы означают что все, что было сделано со спиновыми волнами до настоящего момента, можно переделать сочетая их со сверхпроводниками — и эти системы будут вести себя по-новому», — заключает Игорь Головчанский.
Ранее, в начале 90х, подобные работы проводились в России с керамическими системами железо-иттриевый гранат — высокотемпературный сверхпроводник (например, [БМ Лебедь и СВ Яковлев, Письма в ЖТФ 15, 19, 27 (1989)]).
