Ученые из Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, МФТИ и их иностранные коллеги создали новый вид магнитной керамики и провели его экспериментальное исследование. Обнаруженные ими свойства оказались весьма привлекательными для нужд терагерцовой электроники — в системах связи, медицине, безопасности, для создания новых измерительных приборов, в астрофизике и для элементов компьютерной памяти. Работа опубликована в журнале Materials Horizons.
Магнетизм проистекает из удивительного мира квантовой физики. Он обусловлен специфическим свойством электронов, известным как спин, который придает им магнитные характеристики. Когда электроны тесно связаны с атомами, они придают последним спиновый магнитный момент, равный сумме магнитных моментов всех электронов. Это превращает атомы в микроскопические стрелки компаса при условии, что их общий магнитный момент не равен нулю. В магнитноупорядоченных средах, например, спины атомов упорядочены благодаря межатомным взаимодействиям, что приводит к возникновению магнитного момента у всего материала, известного как намагниченность. Это свойство позволяет материалу сильно взаимодействовать магнитным полем, притягиваясь к другим магнитам или отталкиваясь от них.
Магнитные материалы можно разделить на две основные категории: магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие легко изменяют ориентацию своих атомных спинов, в то время как магнитотвердые сохраняют свою намагниченность даже в присутствии сильных магнитных полей. Интенсивность магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности материала на противоположную, называется коэрцитивной силой. У магнитомягких ферритов она не превышает нескольких сотен напряженностей магнитного поля Земли, и такие материалы используются в сердечниках трансформаторов. Магнитотвердые материалы могут давать магнитную напряженность, в тысячи раз превышающую силу земного магнетизма. Измеряют напряженность магнитного поля в эрстедах, и поле Земли примерно равно половине одного эрстеда. Магнитотвердые материалы применяют в основном в электродвигателях и генераторах для преобразования механической энергии в электричество за счет электромагнитной индукции. В наше время постоянные магниты стали использовать в виде наночастиц в магнитных лентах с высокой плотностью записи и низкой себестоимостью записи и хранения одного бита, например в магнитных лентах Fujifilm.
В последние десятилетия проводятся активные исследования и эксперименты в области создания новых магнитотвердых материалов с целью получения более мощных магнитов, имеющих стабильные свойства, пригодных для целей терагерцовой электроники. Немаловажна и стоимость материалов: ферритовая керамика в изготовлении намного дешевле неодимовых магнитов. Преимуществами такой керамики также являются устойчивость к коррозии, пластичность и хорошие диэлектрические свойства, которые не допускают отражения электромагнитной волны.
Коллектив ученых занимается магнитотвердыми керамиками уже несколько лет. Например, изучал керамику, изготовленную из эпсилон-оксида железа, о чем мы писали в прошлом году. Текущая работа связана с поиском, созданием и исследованием еще более подходящих материалов для практических целей.
Авторы эксперимента Людмила Алябьева и Евгений Горбачев. Фото: Евгений Горбачев
В этот раз Евгений Горбачев с коллегами изготовили плотную керамику гексаферрита со сложным химическим составом, включающим атомы стронция, кальция, железа, алюминия и кислорода. Все эти ухищрения необходимы, чтобы плотная керамика сохранила свою высокую магнитотвердость, поскольку, как правило, магнитные частицы в плотных образцах размагничивают себя сами и коэрцитивная сила таких материалов крайне низка. Впервые были изучены ее магнитостатические и магнитодинамические свойства в интервале температур от очень низких (гелиевых) до комнатных. В ходе экспериментов было обнаружено, что ферритовая керамика сохраняет высокую магнитную твердость во всем диапазоне температур, что важно для ее практического использования.
Сначала ученые получали порошок гексаферрита при температуре 1200 градусов по Цельсию. Затем его обжигали при температурах 1300 и 1400 градусов по Цельсию, делая из него керамику. После всего этого керамика охлаждалась и ее свойства исследовались. Керамика от порошка отличается и плотной формой, и распределением частиц внутри: если в порошке размеры частиц отличаются не столь сильно, то в керамике достаточно много частиц разных размеров, в том числе много больших.
Изображение и распределение частиц по размерам в порошке гексаферрита и в керамике. Источник: Materials Horizons Journals
Были проведены исследования по изменению свойств материала под действием магнитного поля. Оказалось, что когда ученые впервые намагничивали керамику, это привело к тому, что она начала меньше поглощать на определенной частоте энергию, которая называется резонансной. Материал как будто становится менее «слышимым» для этой частоты. При напряженности поля 5 кЭ (5 тысяч эрстедов) резонансная линия, которая показывает, как материал реагирует на эту частоту, почти полностью исчезает. Это означает, что материал практически не реагирует на воздействие излучения этой частоты, что позволяет уменьшить энергетические потери.
Зависимость пропускания поля от частоты для разных значений силы магнитного поля. Источник: Materials Horizons Journals
Для керамики, которая уже была намагничена и сохраняет некоторую намагниченность (остаточная намагниченность), было обнаружено, что ее реакция на внешнее магнитное поле изменяется линейно. Проще говоря, изменяя внешнее магнитное поле, мы можем точно настраивать реакцию материала на определенные частоты. Это как настройка радиоприемника на нужную волну, только вместо радиоволн мы используем магнитное поле для настройки.
Авторы исследования впервые показали необходимость высокой коэрцитивной силы для обратимой настройки частоты ФМР. Чем больше коэрцитивная сила материала — тем в более широком диапазоне можно проводить настройку ФМР с измерением направления внешнего магнитного поля. Если коэрцитивная сила материала низкая, то даже в небольших магнитных полях происходит перемагничивание материала и сильное измерение спектра ФМР, а исходную частоту ФМР можно восстановить только после насыщения образца в большом магнитном поле.
Гистерезис и остаточная намагниченность при различных частотах и способности пропускания. Источник: Materials Horizons Journals
«Стандарт 5G, активно внедряемый в последние годы, оперирует частотами в десятки гигагерц. Магнито-твердая керамика позволяет работать с существенно большими частотами. Это даст возможность осуществить переход к телекоммуникациям новых поколений — разрабатываемому в настоящее время стандарту 6G и последующим», — пояснила Людмила Алябьева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.
«Как было показано нами ранее теоретически (в работе E.A. Gorbachev, et al. Sub-terahertz/terahertz electron resonances in hard ferrimagnets / Materials Today, 63, 2023), магнитотвердые диэлектрики являются единственным на сегодняшний день классом материалов с магнитными электронными резонансами, который может использоваться для создания практической терагерцовой электроники», — сказал Евгений Горбачев, кандидат химических наук, старший преподаватель Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне и первый автор статьи.
Перспективы исследований ферримагнетиков для субтерагерцовой и терагерцовой электроники. Источник: Materials Today
«За счет эффекта резонансного поглощения в данных средах электромагнитная волна может эффективно (с высоким КПД) преобразовываться в спиновый ток и классическую разность потенциалов, что, по сути, является механизмом работы детектора. Возможна и обратная ситуация, когда постоянный ток может преобразовываться колебания спиновой системы и генерации терагерцовой волны», — добавил Евгений Горбачев.
Он подробно рассказал и о ближайших перспективах применения сделанных открытий.
«Слоистые структуры “магнитный изолятор / металл” могут использоваться как детекторы или генераторы высокочастотного излучения. При детектировании поляризованный импульс намагниченности, которая обладает максимальной кинетической энергией при резонансе, передается электрону в металле, в котором при этом возникает спиновый ток. Далее в зависимости от типа металла за счет различных эффектов квантовой электродинамики этот спиновый ток можно преобразовать в ток заряда или разность потенциалов. Уже около 30 лет для таких устройств применяются магнитомягкие ферримагнетики, например гранаты. Для их работы требуется внешнее магнитное поле, и резонансные частоты достигают всего 20 ГГц. Лишь четыре года назад были созданы устройства на основе антиферромагнитных резонансов, работающие на частотах до 300 ГГц. Однако из-за низкой восприимчивости резонансы и спиновые токи в этом случае получаются слабыми. Год назад в нашей группе были впервые предложены магнитотвердые ферримагнетики-диэлектрики для таких устройств. Теоретически такие материалы должны обладать очень сильными ферромагнитными резонансами на субтерагерцовых и терагерцовых частотах. При этом они способны работать без внешнего магнитного поля», — пояснил Евгений Горбачев.
Сделанные в работе экспериментальные исследования открывают новые горизонты для развития промышленной терагерцовой электроники и спинтроники на основе диэлектрических ферримагнетиков.
Помимо ученых из МФТИ, в работе принимали участие их коллеги с факультета наук о материалах МГУ-ППИ в Шэньчжэне, из Института физики университета Штутгарта (Германия) и Национального научного центра Великобритании по изучению источников синхротронного света, расположенного в Харвеллском научно-инновационном кампусе в Оксфордшире.
2
