Эксперимент, показавший возможность использования магнитоупругих свойств антиферромагнетиков для гибкого управления микроэлектроникой нового поколения, провела команда российских ученых, 7 мая сообщает журнал МФТИ «За науку».

В работе по исследованию свойств антиферромагнетиков, кроме ученых Московского физико-технического института (МФТИ), приняли участие специалисты Института радиотехники и электроники (ИРЭ) им. В. А. Котельникова РАН и лаборатории «Магнитные метаматериалы» Саратовского государственного университета.

Научная статья «Влияние механических деформаций на режимы объемного антиферромагнитного резонанса в α-Fe2O3», в которой обобщаются результаты исследования, опубликована в журнале Applied Physics Letters.

В создаваемой в настоящее время учеными во всем мире магнитной микроэлектронике перенос энергии или информации производится не электрическим током, а передачей магнитных возбуждений — спиновыми волнами.

Спиновые волны представляют собой распространяющиеся в образце, например, в магнитоупорядоченных кристаллах, колебания локальной намагниченности — магнитные моменты (спины) атомов передаются по цепочке от одного атома к другому. Как и электроны, выступающие носителями электрического тока, так и магноны (квантовый аналог спиновой волны) могут стать переносчиком магнитного момента.

Устройства, работающие на принципе передачи магнитных возбуждений, будут иметь преимущества перед традиционной электроникой, так как в этом случае отсутствует электрическое сопротивление, что обеспечит увеличение скорости передачи сигнала. То есть на таких магнонных устройствах могут быть построены высокоскоростные вычислительные устройства, нейроморфные компьютеры и чувствительные датчики.

Команда исследователей изучала свойства антиферромагнитного материала, гематита Fe₂O₃ (оксида железа), который является одним из самых распространенных магнитных материалов в природе.

Антиферромагнетиками называются вещества, в которых магнитные моменты соседних атомов (подрешеток) противоположны и поэтому компенсируют друг друга. Тем не менее у ряда магнетиков, в том числе гематита, наблюдается небольшой скос подрешеток, вызывающий слабый ферромагнетизм. Теория слабого ферромагнетизма была разработана советским физиком-теоретиком Игорем Дзялошинским и японским ученым Тору Мории.

Исследователи выбрали для экспериментов гематит, потому что свои антиферромагнитные свойства он проявляет при комнатной температуре, а кроме того, имеет сильную магнитоупругую связь (взаимовлияние между магнитными и упругими свойствами), Это делает его перспективным материалом для управляемой магнитной микроэлектроники.

Один из авторов научной работы, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник лаборатории магнонной спинтроники ИРЭ Татьяна Богданова пояснила выбор темы исследования:

«Сейчас стремительно увеличиваются скорости передачи информации и расширяются диапазоны рабочих частот. Такие изменения стали возможны благодаря, в частности, достижениям в магнонике, в том числе с помощью антиферромагнитных материалов. Они демонстрируют сверхбыструю спиновую динамику и имеют собственные частоты в гига- и терагерцовых частотах, что открывает перспективы для разработки принципиально новых высокоскоростных и сверхточных магнитных микроэлектронных устройств».

Ученые исследовали изменение свойств спиновых волн в кристаллах гематита под влиянием внешнего воздействия. Для этого они, механически сжимая или растягивая образец, деформировали его так, чтобы увеличивать или уменьшать его резонансную частоту в терагерцовом диапазоне.

Следующим шагом команды станет изготовление композита из слоев, в которых частоты спиновых волн будут изменяться электрическим напряжением.

Развивая это направление, команда исследователей сделала еще один шаг на пути к разработке управляемых магнитных устройств на основе антиферромагнитных материалов, которые демонстрируют свою перспективность для применения в устройствах магнитной памяти, перестраиваемых детекторах, генераторах гига- и терагерцового излучения и волноводах.