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.
ФизТех
196 статей
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.
Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 08:27
11 минут
Мария Азарова

Ученые из Университетского колледжа Лондона рассказали о случае 45-летнего пациента, перенесшего Covid-19 в достаточно тяжелой форме: примерно через 40 дней после заражения он начал ощущать звон в ушах и внезапную потерю слуха.

Вчера, 14:56
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых реконструировала события крупнейшего вымирания в истории Земли — пермско-триасового — и назвала ключевой, по ее мнению, фактор, который привел к катастрофе.

Позавчера, 12:21
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

16 октября
53 минуты
Александр Березин

Одни говорят, что в мире миллионы тонн ядерных отходов и что их никогда не удастся надежно захоронить, в связи с чем Гринпис перекрывает железные дороги, по которым везут ядерные материалы, и требует свернуть всю ядерную отрасль в одночасье. Другие утверждают, что реальные ядерные отходы от деятельности АЭС во всем мире помещаются в куб со стороной десять метров. Как понять, кто прав, а кто — нет? И почему то, что для одних — «отходы», другие рассматривают как ценную инвестицию в будущее? Попробуем разобраться.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: