Ученые из Института радиотехники и электроники РАН им. В. А. Котельникова, Московского физико-технического института (Москва, Россия) и Национального университета Чунгбук (Чхонджу, Южная Корея) представили концепт спектрального анализатора субтерагерцевого излучения. Работа опубликована в журнале IEEE Transactions on Nanotechnology.
Актуальность разработки заключается в том, чтобы предложить научному и инженерному сообществу новый надежный инструмент для создания и калибровки компонентов высокопроизводительной электроники, которая работает в субтерагерцевом диапазоне. Эти частоты представлены в нижней части терагерцевого спектра — примерно от 100 гигагерц до одного терагерца. Раньше такое излучение называлось субмиллиметровыми волнами, или дальним инфракрасным излучением.
«Предложенный анализатор измеряет спектр субтеррагерцевого излучения. Простыми словами, он определяет, из каких простых сигналов состоит сложный входной сигнал. При этом внутри устройства находится генератор собственного излучения, который перестраивается в заданном диапазоне частот. В момент, когда частота собственного сигнала совпадает с частотой внешнего, можно наблюдать увеличение напряжения», — рассказала основной автор научной работы, инженер ИРЭ, магистрант кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ Анастасия Митрофанова.
По словам специалиста, в предложенном анализаторе роль генератора выполняет источник колебаний — антиферромагнитный осциллятор. Он состоит из слоя немагнитного металла и антиферромагнитного слоя на нем.
Антиферромагнетики — это особый класс веществ, в структуре которых есть маленькие магнитные области (домены). Они имеют противоположные направления намагниченности и компенсируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не притягивают металлы. Однако их используют в качестве осцилляторов, потому что они обладают высокой частотой колебаний.
«По слою немагнитного металла протекает постоянный ток высокой плотности, что приводит к вращению намагниченностей доменов антиферромагнетиков. В зависимости от плотности тока эти намагниченности вращаются быстрее или медленнее. То есть изменение плотности тока приводит к изменению частоты антиферромагнитного осциллятора. Поэтому можно перестраивать собственный сигнал генератора от более низких к более высоким частотам», — пояснила Анастасия Митрофанова.
Рисунок 1. Структурная схема анализатора спектра субтерагерцовых колебаний на основе гетероструктуры антиферромагнетик / немагнитный металл. Первым входным сигналом является управляющий ток, который приводит к передаче спин-орбитального момента на антиферромагнетик, а затем на немагнитный металл, в результате чего возникает переменный электрический ток. Второй вход — анализируемый сигнал, с которым синхронизируется антиферромагнетик, когда частота его колебаний совпадает с частотой внешнего сигнала. После цифровой обработки сигнала с выхода анализатора спектра по напряжению можно определить частоту внешнего сигнала по временному положению всплеска постоянного тока. Источник: IEEE Transactions on Nanotechnology.
Субтерагерцевый диапазон интересен тем, что позволяет реализовать высокоскоростные вычисления, поскольку чем выше частота устройства, тем быстрее оно работает. По сравнению с современными процессорами производительность субтерагерцевых устройств может быть выше в сотни раз. В будущем такие устройства будут полезны, например, при создании нейроморфных компьютеров.
Также с субтерагерцевыми частотами ассоциируют развитие широкополосных систем связи, что обусловлено их способностью передавать большие объемы данных на высоких скоростях. Это может способствовать развитию мобильных сетей шестого поколения и технологий интернета вещей. Вместе с тем в субтерагерцевом диапазоне находятся линии поглощения многих молекул, что делает его полезным для создания новых типов оборудования для спектроскопии и идентификации материалов. В том числе систем досмотра для обнаружения запрещенных веществ. Кроме того, возможности таких частот привлекательны для использования в медицине в качестве замены небезопасного рентгеновского излучения.
«Сложности в работе субтерагерцевыми частотами возникают из-за отсутствия эффективных источников и детекторов, которые работают в этом диапазоне. Тем не менее, поскольку эти частоты позволяют реализовать высокоскоростные вычисления, сейчас идет активная разработка механизмов для генерации, приема и расшифровки таких сигналов», — сообщила Анастасия Митрофанова.
Она отметила, что предложенный в рамках исследования концепт устройства на основе антиферромагнитного осциллятора позволяет достичь сопоставимых или более высоких скоростей определения частоты субтеррагерцевого сигнала по сравнению с существующими коммерческими аналогами.
При этом разработанная модель проще в изготовлении и эксплуатации. В частности, концепт, в отличие от альтернативных устройств на основе сверхпроводников (где также достигаются частоты в десятки и сотни гигагерц), позволяет создавать анализаторы, которые работают в обычных условиях при комнатной температуре.
«По мере развития электронные устройства становятся все более миниатюрными. При этом в них возрастает сопротивление материалов и увеличиваются потери энергии. Поэтому нужна электроника, которая не использует движение электронов. Одно из решений в этом направлении — это использование спина, магнитного момента электрона. В таких устройствах возникают те же эффекты, что и в электронных, но без потерь энергии, что открывает широкие перспективы для увеличения производительности электроники», — прокомментировал фундаментальные задачи научной работы Сергей Никитов, академик РАН, директор ИРЭ, профессор кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ.
По его словам, задача ученых — подготовить научную основу для разработки подобных устройств.
Институт радиотехники и электроники РАН им. В. А. Котельникова — базовая организация кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий ФЭФМ МФТИ. Начать учиться на кафедре и заниматься научными исследованиями в области высокопроизводительной электроники, наноплазмоники, спинтроники, создания передовых устройств и компонентов можно уже в бакалавриате или после поступления в магистратуру или аспирантуру ФЭФМ МФТИ.
