Прообраз магнонного кристалла

Путём объединения сверхпроводника и ферромагнетика получили метаматериал, который найдёт применение в магнонике.

Магноника, которая, возможно, придёт на смену привычной электронике, использует для передачи и обработки информации спиновые волны или магноны – гармонические колебания ориентации магнитного момента. В ферромагнетике магнитные моменты электронов (спины) упорядочены, направлены в определённом направлении. Спиновые волны волнообразно изменяют направления спинов.

Магноника в настоящее время считается перспективной прикладной областью исследований, поскольку у неё есть ряд преимуществ по сравнению с другой альтернативой электроники – фотоникой, которая использует для передачи сигналов фотоны (электромагнитные волны). Во-первых, спиновые волны могут управляться внешним магнитным полем. Во-вторых, длина используемых электромагнитных волн – порядка сантиметра, тогда как для спиновых волн того же диапазона она составит микрометры. Поэтому на основе спиновых волн можно делать более компактные микроустройства.

Одним из основных строительных блоков в магнонике служат так называемые магнонные кристаллы – магнитные метаматериалы, в которых периодически изменяется какой-либо магнитный параметр, влияющий на спиновые волны: намагниченность, магнитная анизотропия (различие свойств в зависимости от направления), толщина пленки и т.д. Они в будущем станут базовыми элементами для частотных фильтров, аналогов транзисторов и многого другого.

Физики, представляющие МФТИ, ИФТТ РАН, МИСИС и Казанский университет, предложили создавать магнонные кристаллы из ферромагнитных пленок с нанесёнными на них периодическими сверхпроводящими структурами. Они создали, испытали и промоделировали образец такого метаматериала из тонкой плёнки ферромагнитного пермаллоя (сплав из 80% никеля и 20% железа), поверх которого помещена сверхпроводящая структура из ниобия. Исследователи не только показали принципиальную возможность его использования, но продемонстрировали, что в нем реализуется интересная зонная структура с запрещенными зонами в гигагерцовом диапазоне, которая, возможно, тоже найдёт своё применение. Об этом они рассказали в журнале Advanced Science

Интересно здесь то, что сверхпроводимость и ферромагнетизм сами по себе антагонисты. Сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Дело в том, что в связанных парах электронов (куперовских парах) сверхпроводников спины направлены противоположно, а в ферромагнетиках — спины электронов сонаправлены. Поэтому физики традиционно пытаются с помощью ферромагнетизма воздействовать на сверхпроводящие свойства материалов. Авторы же данной работы пошли в противоположном направлении, воздействуя на ферромагнитные свойства с помощью сверхпроводящей структуры, хотя считалось, что ферромагнетизм «сильнее» сверхпроводимости и не может быть подвержен ее влиянию.

Ограничением для широкого применения подобных метаматериалов пока служит только невозможность их существования при комнатной температуре. Для поддержания сверхпроводимости нужна очень низкая температура.

По материалам пресс-релиза МФТИ