Российские ученые провели эксперимент, который позволил использовать магнитоупругие свойства антиферромагнетиков для гибкого управления микроэлектроникой нового поколения — устройствами, в которых энергия или информация переносится не электрическим током, а с помощью магнитных возбуждений — спиновых волн. В работе приняли участие специалисты из Московского физико-технического института, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и лаборатории «Магнитные метаматериалы» Саратовского государственного университета. Научная статья опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Спиновые волны — тип волн, при которых колебания магнитных моментов (спины) атомов передаются по цепочке от одного атома к другому. Такие возмущения возникают в том числе и в магнитоупорядоченных кристаллах. По аналогии с электронами, носителями электрического тока, магноны (квантовый аналог спиновой волны) можно использовать для переноса магнитного момента. Устройства, созданные на принципе передачи магнитных возбуждений, будут обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционной электроникой из-за отсутствия сопротивления и, соответственно, увеличения скорости передачи сигнала. В перспективе магнонные устройства могут стать основой для высокоскоростных вычислительных устройств, чувствительных датчиков и элементной базы нейроморфных компьютеров.
В данной работе ученые исследовали свойства антиферромагнитного материала, гематита Fe2O3 — оксида железа, одного из самых распространенных магнитных материалов в природе. Антиферромагнетики — это вещества, в которых магнитные моменты соседних атомов (подрешеток) противоположны и компенсируют друг друга. Однако ряд магнетиков, например гематит, обладают небольшим скосом подрешеток, приводящим к появлению слабого ферромагнетизма в антиферромагнетиках. Теория слабого ферромагнетизма была представлена в работах Игоря Дзялошинского и Тору Мории. Преимущество гематита как объекта исследования в том, что свои антиферромагнитные свойства он проявляет при комнатной температуре, а также имеет сильную магнитоупругую связь (влияние между магнитными и упругими свойствами), что делает его удобным для применения в управляемой микроэлектронике.
«Сейчас стремительно увеличиваются скорости передачи информации и расширяются диапазоны рабочих частот. Такие изменения стали возможны благодаря, в частности, достижениям в магнонике, в том числе с помощью антиферромагнитных материалов. Они демонстрируют сверхбыструю спиновую динамику и имеют собственные частоты в гига- и терагерцовых частотах, что открывает перспективы для разработки принципиально новых высокоскоростных и сверхточных магнитных микроэлектронных устройств», — рассказала один из авторов научной работы, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник лаборатории магнонной спинтроники ИРЭ Татьяна Богданова.
Эти факторы, по словам специалиста, делают антиферромагнетики перспективными для применения в устройствах магнитной памяти, перестраиваемых детекторах, генераторах гига- и терагерцового излучения и волноводах.
Задача исследователей в ходе научной работы заключалась в том, чтобы изучить, как изменяются свойства спиновых волн в кристаллах гематита под влиянием внешнего воздействия. Для этих целей ученые механическим способом деформировали пластину с материалом, что позволило им управлять характеристиками антиферромагнетика, увеличивая или уменьшая его резонансную частоту в терагерцовом диапазоне путем сжатия или растяжения образца.
В дальнейшем специалисты планируют изготовить гетероструктуры — композиты из слоев, в которых частоты спиновых волн будут изменяться электрическим напряжением. Благодаря развитию этого направления исследователи сделали еще один шаг к разработке управляемых магнитных устройств на основе антиферромагнитных материалов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (гранты № 23-79-00016 и № 20-79-10191).
5
