Ученые разработали метаматериал для альтернативной магнонной электроники

Работа опубликована в журнале Advanced Science.

Магноника изучает возможность передачи и обработки информации с помощью спиновых волн. Если в фотонике мы имеем дело с фотонами или электромагнитными волнами, то в магнонике главная роль за спиновыми волнами или магнонам — гармоническими колебаниями ориентации магнитного момента. В ферромагнетике магнитные моменты электронов, то есть их спины упорядочены, возникающие в этом упорядочении волны называются «спиновыми волнами».

Традиционная магноника сейчас считается перспективной прикладной областью посткремниевой волновой электроники, потому что у спиновых волн есть ряд преимуществ по сравнению, скажем, с СВЧ-фотонами. Например, спиновые волны могут управляться внешним магнитным полем. При этом длина электромагнитной СВЧ-волны — порядка сантиметра, тогда как для спиновых волн того же СВЧ-диапазона она составит микрометры. Поэтому на основе таких управляющих волн можно сделать очень компактное микроустройство для работы с СВЧ-сигналами.

Элементарная система, с которой нужно начинать создавать какие-либо устройства, построенные на работе со спин-волновыми сигналами, — магнонные кристаллы. Они станут базовыми элементами для частотных фильтров и магнонных устройств, которые являются аналогами транзисторов. У магнонных кристаллов потенциально очень широкий спектр применения.

Авторы работы проверяли базовую гипотезу — можно ли из гибридной системы «сверхпроводник — ферромагнетик» сделать магнонный кристалл. Сверхпроводимость и ферромагнетизм сами по себе антагонисты. В сверхпроводниках, в связанных парах электронов (куперовских парах) ориентация спинов направлена противоположно, а в ферромагнетиках — сонаправлена. Традиционно ученые пытаются с помощью ферромагнетизма воздействовать на сверхпроводящие свойства.

«В последние несколько лет удается получить обратную ситуацию. Мы исследуем изначально ферромагнитные системы и смотрим, можно ли с помощью сверхпроводников каким-то образом модифицировать их ферромагнитные свойства. В этом заключается глобальный интерес к данной теме. Традиционно магноника предполагала работу при комнатной температуре. Поэтому раньше ни о какой гибридизации со сверхпроводниками, которые не существуют при комнатной температуре, речи и не шло. К тому же, ферромагнетизм традиционно считается «сильнее» сверхпроводимости и интуитивно не может быть подвержен ее влиянию. Наша лаборатория занимается криогенными системами. И мы себе поставили цель: посмотреть, что можно сделать с магнонными системами при криогенных температурах, заставив их взаимодействовать со сверхпроводниками», — делится Игорь Головчанский, соавтор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.

Основной результат этой работы заключается в том, что показана принципиальная возможность работы с магнонными кристаллами на основе гибридной системы «сверхпроводник — ферромагнетик». Ученые также продемонстрировали, что в них реализуется интересная зонная структура с запрещенными зонами в гигагерцовом диапазоне.

Работа состояла из трех этапов: изготовления и измерения образца с последующим моделированием. Образец представлял собой регулярную сверхпроводящую структуру ниобия (Nb), помещенную поверх тонкой пленки ферромагнитного пермаллоя (Py) — 80% никеля (Ni) к 20% железа (Fe).

Эту систему установили в криостат и проводили измерения коэффициента пропускания микроволнового сигнала. Если частота сигнала совпадала с фундаментальными частотами системы, наблюдалось резонансное поглощение. Это называется «ферромагнитный резонанс». Полученный в ходе работы спектр состоял из двух линий, а это свидетельствовало о том, что периодическая структура состоит из связанных зон с разными ферромагнитными свойствами. Модуляция ферромагнитных свойств происходила за счет влияния сверхпроводящей структуры. Третьим этапом было «микромагнитное моделирование», с помощью которого авторы смогли воссоздать реальную зонную структуру кристалла, которая состоит из разрешенных и запрещенных зон с разной геометрией.

Техпроцесс создания микроэлектронных компонентов на основе кремния приближается к теоретическому минимуму возможных размеров. Поэтому дальнейшее увеличение вычислительных мощностей, а значит, и миниатюризация компонентной базы требует новых подходов. У исследованных в данной работе систем «сверхпроводник — ферромагнетик» в этом отношении есть хорошие перспективы в волновой электронике, поскольку у сверхпроводников критические размеры меньше микрометра, из-за чего сверхпроводящие элементы можно делать очень маленькими.

Авторы предполагают, что результаты их исследований найдут применение в криогенной СВЧ электронике и магнонике, в том числе квантовой. Ограничением для более широкого применения пока является только невозможность существования такой системы при комнатной температуре.