До сих пор в гибридных структурах ферромагнетик—двумерная электронная структура ученые в основном исследовали взаимодействие плазмонов (коллективных колебаний электронной плотности) с магнонами, или спиновыми волнами. Однако в двумерной электронной структуре может возникать циклотронный резонанс. Это явление наблюдается, когда электроны, движущиеся в магнитном поле по окружности, поглощают электромагнитную волну, если ее частота совпадает с частотой их вращения. Именно взаимодействие этого резонанса и ферромагнитного впервые обнаружили российские ученые и теоретически исследовали его. Статья опубликована в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)».
«Наше исследование потребовало знаний из разных областей физики: динамики электронов в двумерных системах и динамики намагниченности в магнетиках — условно говоря, двумерной плазмоники и спинтроники», — рассказал Андрей Заболотных, доцент кафедры электроники МФТИ, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники».
Физики рассмотрели простую модель: двумерная электронная система на тонкой ферромагнитной пленке, которая, в свою очередь, лежит на металлическом затворе. Вся структура помещена во внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости слоев. На основе этой модели ученые получили аналитические формулы для коэффициента поглощения и частот резонансов. Вычисления показали, что циклотронный и ферромагнитный резонансы взаимодействуют друг с другом, что проявляется в виде взаимного расталкивания частот — антикроссинга. Если бы связи между резонансами не было, то их частоты просто пересекались. Затем физики выполнили расчеты для реалистичных параметров материалов — ферромагнитной пленки Bi:TmIG и двумерной электронной системы на основе AlGaAs.
Для реальных материалов величина расщепления, то есть разница между частотами при взаимодействии, составила 1,6 ГГц при магнитном поле около 131 Э. Этот результат говорит о том, что эффект доступен для экспериментального наблюдения. Кроме того, вычисления показали, что в предложенной системе магнитная пленка способна усиливать циклотронный сигнал в несколько раз, что позволит повысить его чувствительность.
Обнаруженное российскими учеными резонансное взаимодействие создает новый, управляемый канал сильной связи между магнитной и электронной подсистемами. Результаты исследования актуальны для развития спинтроники, магнонной логики, нейроморфных вычислений и гибридных магнито-электронных устройств.
«Что касается дальнейших исследований, то идей довольно много. Во-первых, переход в более высокочастотный (терагерцевый) диапазон, например, за счет замены ферромагнетика на антиферромагнетик. Во-вторых, исследование гибридизации магнонов с плазмонами (коллективными возбуждениями 2D-системы). Интересно было бы перейти к двумерным магнетикам для усиления связи за счет непосредственной близости слоев», — поделился Игорь Загороднев, заведующий лабораторией электронных свойств низкоразмерных систем ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, старший научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А.А. Абрикосова МФТИ.