Natuurkundigen uit Rusland en Europa hebben de reële mogelijkheid aangetoond om supergeleider/ferromagneetsystemen te gebruiken om magnonische kristallen te maken, die de kern zal vormen van spin-wave-apparaten in het post-siliciumtijdperk van elektronica. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

Magnonics onderzoekt de mogelijkheden om spingolven te gebruiken voor het verzenden en verwerken van informatie. Terwijl fotonica zich bezighoudt met fotonen en elektromagnetische golven, de focus van magnonics ligt op spingolven, of magnonen, die harmonische oscillaties zijn van de oriëntatie van magnetische momenten. In ferromagnetische materialen, de magnetische momenten van de elektronen, d.w.z., hun spins, zijn uitgelijnd in een magnetisch veld. De golven van spin-uitlijning die in een magnetisch systeem worden waargenomen, worden spingolven genoemd.

Magnonics wordt gezien als een veelbelovend onderzoeksgebied in post-siliciumgolfelektronica, aangezien spingolven een aantal voordelen hebben ten opzichte van, zeggen, microgolf fotonen. Bijvoorbeeld, spingolven kunnen worden gecontroleerd door een extern magnetisch veld. Magnetrons, die in wezen elektromagnetische golven zijn, een gemiddelde golflengte van één centimeter hebben, terwijl spingolven in hetzelfde microgolffrequentiebereik golflengten van micrometers hebben. Daarom kunnen deze bestuurbare golven worden gebruikt om zeer compacte micro-apparaten voor microgolfsignalen te bouwen.

Magnonische kristallen zijn de meest fundamentele systemen (soms ook wel de bouwstenen genoemd) die nodig zijn om een ​​apparaat te bouwen dat werkt met spingolfsignalen. Deze kristallen hebben een breed scala aan potentiële toepassingen en zullen de kern vormen van frequentiefilters, raspen koppelingen, golfgeleiders, en magnonische apparaten, die analogen zijn van transistoren.

De auteurs van deze studie testten hun basishypothese, die was als volgt:Kan een magnonic kristal worden gemaakt met behulp van een ferromagneet/supergeleider hybride systeem? Ferromagnetisme en supergeleiding zijn twee antagonistische fenomenen. In een supergeleider, de spins van de elektronen die in een Cooper-paar zijn gebonden, zijn in tegengestelde richtingen georiënteerd, terwijl in ferromagneten, ze hebben de neiging om in dezelfde richting uit te lijnen. Wetenschappers hebben van oudsher geprobeerd om supergeleidende eigenschappen te beïnvloeden met ferromagnetisme.

"De laatste paar jaar we zijn erin geslaagd het omgekeerde te bereiken. Eerst, we onderzoeken ferromagnetische systemen en kijken of hun ferromagnetische eigenschappen op de een of andere manier kunnen worden gewijzigd met behulp van supergeleiders. Dit is de reden waarom het wereldwijde belangstelling heeft gewekt, " legt Dr. Igor Golovchanskiy uit, een co-auteur van de studie en onderzoeker bij MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "In eerste instantie magnonics omvatte alleen onderzoeken bij kamertemperatuur. Daarom, hybridisatie van ferromagneten met supergeleiders, die niet bestaan ​​bij kamertemperatuur, was niet aan de orde. Daarnaast, ferromagnetisme wordt traditioneel beschouwd als "sterker" dan supergeleiding en, Vandaar, kan er niet door beïnvloed worden. Ons laboratorium bestudeert cryogene systemen, en we hebben ons ten doel gesteld om te kijken hoe magnonische systemen zich gedragen bij cryogene temperaturen wanneer ze worden gedwongen om te interageren met supergeleiders."

Het belangrijkste resultaat van dit onderzoek is dat de wetenschappers hebben bewezen dat het mogelijk is om met magnonische kristallen te werken met behulp van het supergeleider/ferromagneet hybride systeem. De wetenschappers hebben ook een eigenaardige magnonische bandstructuur in hun architectuur waargenomen die wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van verboden banden in het gigahertz-frequentiebereik.

Het onderzoek is in drie fasen uitgevoerd:een monster is gemaakt en gemeten, en vervolgens werden simulaties uitgevoerd. Het systeem bestond uit een gewone supergeleidende niobium (Nb) structuur die bovenop een ferromagnetische Ni80Fe20 permalloy (Py) dunne film was geplaatst.

Het systeem werd in een cryostaat geplaatst, en de transmissiecoëfficiënt van het microgolfsignaal werd gemeten. Als de waarde hetzelfde was als de grondfrequenties van het systeem, resonantieabsorptie werd waargenomen. Dit wordt ferromagnetische resonantie genoemd. Het verkregen spectrum vertoonde twee lijnen, wat aangeeft dat de periodieke structuur bestond uit twee begrensde gebieden met afwisselende ferromagnetische resonantiecondities. De ferromagnetische eigenschappen werden gemoduleerd door middel van de supergeleidende structuur.

Tijdens de derde fase, "micromagnetische simulaties" werden uitgevoerd. Dit hielp de onderzoekers de magnonische bandstructuur te recreëren, die wordt gevormd door toegestane en verboden banden met een verschillende geometrie.

Het technologische proces van de ontwikkeling van op silicium gebaseerde micro-elektronische componenten bereikt de theoretische limiet van beschikbare maten. Als resultaat, een verdere toename van de rekencapaciteit, en vandaar de voortdurende miniaturisering van componenten, vraagt ​​om nieuwe benaderingen. In dit verband, de onderzochte supergeleider/ferromagneetsystemen bieden goede perspectieven voor golfelektronica, aangezien de kritische afmetingen voor supergeleidende materialen minder dan een micrometer zijn. Daarom, het is mogelijk om supergeleidende elementen heel klein te maken.

De auteurs van de studie geloven dat de resultaten van hun onderzoek zullen worden gebruikt in microgolfelektronica en magnonics, inclusief het gebied van kwantummagnonics. Echter, het bereik van mogelijke toepassingen is nog steeds beperkt omdat het systeem niet kan overleven bij kamertemperatuur.

De studie die in dit verhaal wordt gerapporteerd, is een gecombineerde inspanning van onderzoekers van verschillende instellingen:MIPT's Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, de Nationale Universiteit voor Wetenschap en Technologie (MISIS), het Instituut voor Vaste-stoffysica van de Russische Academie van Wetenschappen, National Research Nuclear University MEPhI, Kazan Federale Universiteit, de Hogere Economische School, Karlsruhe Instituut voor Technologie (Duitsland), het MESA+ Instituut voor nanotechnologie, en de Universiteit Twente (Nederland).