Близость со сверхпроводником поменяла свойства ферромагнетика — Naked Science
10 минут
ФизТех

Близость со сверхпроводником поменяла свойства ферромагнетика

4.1

Исследователи из МФТИ обнаружили необычное спин-волновое явление в сочетаниях сверхпроводящих и ферромагнитных материалов

Близость со сверхпроводником поменяла свойства ферромагнетика / ©Пресс-служба МФТИ

Исследователи из МФТИ обнаружили необычное спин-волновое явление в сочетаниях сверхпроводящих и ферромагнитных материалов. Результаты опубликованы на страницах журнала Advanced Functional Materials.

Спиновая волна представляет собой коллективные гармонические колебания ориентаций спинов, распространяющиеся внутри магнитных материалов — ферромагнетиков и ферримагнетиков. Они характеризуются спонтанной намагниченностью: эти материалы становятся намагниченными в отсутствие внешнего магнитного поля при определенной температуре. Спин (spin — от англ. «вращение») — собственный магнитный момент электрона, который характеризуется ориентацией. Так называемое обменное взаимодействие между спинами электронов в некоторых материалах способствует коллективной ориентации спинов в одном направлении, что и приводит к возникновению спонтанной намагниченности. Спиновые волны в последнее время рассматриваются в перспективе применений в элементах альтернативной посткремниевой электроники. Ученые показали, что если такая волна распространяется вблизи сверхпроводящей поверхности, ее скорость значительно изменится.

Рисунок 1: 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 — антагонистические явления: 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 исследований ученые разместили ферромагнитную пленку из сплава пермаллой на сверхпроводящей ниобиевой поверхности и измерили сверхвысокочастотные (СВЧ) свойства этой комбинации. Прохождение СВЧ сигнала вызывало прецессию магнитного момента в пермаллое. При совпадении частот СВЧ излучения с частотами резонансной прецессии магнитного момента, то есть 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».

Рисунок 2: Схема эксперимента. Несколько ферромагнитных пленок из сплава пермаллой (выделены красным) размещены на копланарном 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 ферромагнетиках 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 сделанное 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 90-х, такие 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)]).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
12 мая
10 минут
Василий Парфенов

В условиях аукциона на первое место в суборбитальной капсуле Blue Origin нашли интересные подробности о требованиях к будущим астронавтам. Ради трех минут в невесомости космические туристы, например, должны быть способны пробежать семь лестничных пролетов менее чем за полторы минуты и просидеть полтора часа пристегнутыми к креслу и без возможности сходить в туалет.

10 часов назад
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

Позавчера, 09:30
9 минут
РНФ

Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе циркония и терефталевой кислоты. Они могут долго удерживать препарат благодаря оптимальному размеру и пористости, а также нетоксичны. Свою разработку исследователи успешно протестировали на культуре клеток с применением лейцина — аминокислоты, которая не синтезируется в клетках животных и должна поступать извне.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: