Forskere udvikler et metamateriale til applikationer inden for magnonics, et alternativ til konventionel elektronik

Fysikere fra Rusland og Europa har demonstreret den reelle mulighed for at bruge superleder/ferromagnet -systemer til at skabe magnoniske krystaller, som vil være kernen i spin-wave-enheder, der kommer i elektronikens efter-silicium-æra. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Avanceret videnskab .

Magnonics undersøger mulighederne for at bruge spinbølger til at transmittere og behandle information. Mens fotonik beskæftiger sig med fotoner og elektromagnetiske bølger, fokus for magnonics er på spin -bølger, eller magnoner, som er harmoniske svingninger af orienteringen af ​​magnetiske øjeblikke. I ferromagnetiske materialer, elektronernes magnetiske øjeblikke, dvs. deres spins, er justeret i et magnetfelt. Bølgerne af spinjustering observeret i et magnetisk system kaldes spin -bølger.

Magnonics ses som et lovende forskningsområde inden for post-siliciumbølgeelektronik, da spinbølger har en række fordele i forhold til, sige, mikrobølge fotoner. For eksempel, spinbølger kan styres af et eksternt magnetfelt. Mikrobølger, som hovedsageligt er elektromagnetiske bølger, har en gennemsnitlig bølgelængde på en centimeter, der henviser til, at spinbølger i det samme mikrobølgefrekvensområde har bølgelængder på mikrometer. Det er derfor, disse kontrollerbare bølger kan bruges til at bygge meget kompakte mikrodele til mikrobølgesignaler.

Magnoniske krystaller er de mest grundlæggende systemer (nogle gange kaldet byggestenene), der kræves for at bygge en enhed, der fungerer ved hjælp af spinbølgesignaler. Disse krystaller har en bred vifte af potentielle anvendelser og vil ligge i hjertet af frekvensfiltre, gitterkoblinger, bølgeledere, og magnoniske anordninger, som er analoger til transistorer.

Forfatterne til denne undersøgelse testede deres grundlæggende hypotese, som var som følger:Kan en magnonisk krystal skabes ved hjælp af et ferromagnet/superlederhybridsystem? Ferromagnetisme og superledning er to antagonistiske fænomener. I en superleder, spinnene af elektronerne bundet til et Cooper -par er orienteret i modsatte retninger, der henviser til, at i ferromagneter, de har en tendens til at justere i samme retning. Forskere har traditionelt forsøgt at påvirke superledende egenskaber med ferromagnetisme.

"De sidste par år, vi har haft succes med at opnå det omvendte. Først, vi undersøger ferromagnetiske systemer og ser, om deres ferromagnetiske egenskaber på en eller anden måde kan ændres ved hjælp af superledere. Det er derfor, det har tiltrukket global interesse, "forklarer Dr. Igor Golovchanskiy, medforfatter af undersøgelsen og forsker ved MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "I første omgang, magnonics omfattede kun stuetemperaturundersøgelser. Derfor, hybridisering af ferromagneter med superledere, som ikke findes ved stuetemperatur, var udelukket. Udover, ferromagnetisme er traditionelt blevet betragtet som "stærkere" end superledning og, derfor, kan ikke påvirkes af det. Vores laboratorium undersøger kryogene systemer, og vi satte os et mål om at se på, hvordan magnonsystemer opfører sig ved kryogene temperaturer, når de tvinges til at interagere med superledere. "

Hovedresultatet af denne forskning er, at forskerne har vist, at det er muligt at arbejde med magnoniske krystaller ved hjælp af superleder/ferromagnet -hybridsystemet. Forskerne har også observeret en ejendommelig magnonisk båndstruktur i deres arkitektur præget af tilstedeværelsen af ​​forbudte bånd i gigahertz -frekvensområdet.

Undersøgelsen blev udført i tre faser:en prøve blev fremstillet og målt, og derefter blev der udført simuleringer. Systemet bestod af en regelmæssig superledende niob (Nb) struktur placeret oven på en ferromagnetisk Ni80Fe20 permalloy (Py) tynd film.

Systemet blev placeret i en kryostat, og mikrobølgesignaltransmissionskoefficienten blev målt. Hvis værdien var den samme som systemets grundfrekvenser, resonansabsorbering blev observeret. Dette kaldes ferromagnetisk resonans. Det opnåede spektrum viste to linjer, hvilket indikerer, at den periodiske struktur bestod af to bundne områder med skiftevis ferromagnetiske resonansbetingelser. De ferromagnetiske egenskaber blev moduleret ved hjælp af den superledende struktur.

I tredje fase, "mikromagnetiske simuleringer" blev udført. Dette hjalp forskerne med at genskabe den magnoniske båndstruktur, som dannes af tilladte og forbudte bånd med en anden geometri.

Den teknologiske proces med udviklingen af ​​siliciumbaserede mikroelektroniske komponenter når den teoretiske grænse for tilgængelige størrelser. Som resultat, en yderligere stigning i beregningskapacitet, og dermed den fortsatte miniaturisering af komponenter, kræver nye tilgange. I denne henseende de undersøgte superleder/ferromagnet -systemer giver gode udsigter for bølgeelektronik, da de kritiske størrelser for superledende materialer er mindre end et mikrometer. Derfor, det er muligt at gøre superledende elementer meget små.

Forfatterne af undersøgelsen mener, at resultaterne af deres forskning vil finde anvendelse i mikrobølgeovnelektronik og magnonics, herunder området for kvante magnonik. Imidlertid, rækkevidden af ​​potentielle applikationer er stadig begrænset, da systemet ikke kan overleve ved stuetemperatur.

Undersøgelsen rapporteret i denne historie er en kombineret indsats af forskere fra en række institutioner:MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, National University of Science and Technology (MISIS), Institut for Solid State Physics ved det russiske videnskabsakademi, National Research Nuclear University MEPhI, Kazan føderale universitet, økonomihøjskolen, Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), MESA+ Institut for nanoteknologi, og University of Twente (Holland).