Физики из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ совместно с коллегами из МИСиС, Института физики твёрдого тела РАН, МИФИ, Казанского федерального университета, ВШЭ, Института нанотехнологий MESA, Университета Твенте (Нидерланды) и Карлсруэского технологического института (Германия) показали принципиальную возможность создания из системы «сверхпроводник — ферромагнетик» магнонных кристаллов — элементарных составляющих будущих посткремниевых электронных устройств, работающих на спиновых волнах. Работа опубликована в журнале Advanced Science, кратко о полученных результатах рассказывается в пресс-релизе МФТИ.
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 магнонами — 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 — около 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 учёные пытаются с помощью ферромагнетизма воздействовать на сверхпроводящие свойства.
«В последние несколько лет удаётся 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 её 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», — рассказывает Игорь Головчанский, соавтор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
Основной результат исследования заключается в том, что показана принципиальная возможность работы с магнонными кристаллами на основе гибридной системы «сверхпроводник — ферромагнетик». Учёные также продемонстрировали, что в них реализуется интересная зонная структура с запрещёнными зонами в гигагерцовом диапазоне.
Работа состояла из трёх этапов: изготовления и измерения образца с последующим моделированием. Образец представлял собой регулярную сверхпроводящую структуру ниобия (Nb), помещённую поверх тонкой плёнки ферромагнитного пермаллоя (Py) — 80 % никеля (Ni) к 20 % железа (Fe).
Рисунок 1. Схематическое изображение пропускания спиновых волн через метаматериал и результирующий волновой спектр, отражающий свойства искусственного кристалла
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 счёт влияния сверхпроводящей структуры. Третьим этапом было «микромагнитное моделирование», с помощью которого авторы смогли воссоздать реальную зонную структуру кристалла, которая состоит из разрешённых и запрещённых 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.