Близость со сверхпроводником поменяла свойства ферромагнетика

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.

«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».

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)]).