На пути к посткремниевой электронике

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.

Обсудите с коллегами

09.12

Ловушка для триона

09.12

В Руанде началась вакцинация от лихорадки Эбола

09.12

На севере Франции найдена палеолитическая Венера

09.12

Неизвестный американец пожертвовал на благотворительность золотую монету неизвестного царя

08.12

На что похоже будущее?

07.12

Африканская книга

Новости спинтроники Новости спинтроники Как защитить информацию с помощью жидких кристаллов Как защитить информацию с помощью жидких кристаллов
Новости спинтроники