Ученые из России и США исследовали «провода» для устройств нового поколения, основанных не на электрическом токе, а на токе магнитных моментов — спинов. Авторы смогли управлять эффективностью передачи сигнала при помощи геометрических параметров магнитных структур. Открытие позволяет увидеть возможности и пределы технологий, которые в будущем смогут заменить классические электронные устройства. Статьи по результатам исследования опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials и Journal of Applied Physics.
Традиционные электронные устройства сталкиваются с проблемами выделения тепла за счет электрических токов, мешающих наращивать производительность компьютера увеличением числа и плотности его компонентов. Активно развивающаяся магноника предлагает новую концепцию: информация может переноситься магнонами — квазичастицами спиновых волн. При отклонении спина от равновесного положения он начинает совершать круговые колебательные движения. По цепочке это передается спинам по всему материалу. Так формируется спиновая волна, способная передать информацию.
Базовые блоки магнонных устройств — волноводы для спиновых волн. Наиболее популярны для этих целей пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), которым характерно рекордно слабое затухание спиновых волн. ЖИГ используется в современных спин-волновых устройствах и рассматривается в качестве основного кандидата для создания будущих устройств магноники. Однако чтобы сделать магнонные устройства тоньше, меньше и плотнее, необходимо уметь изготавливать волноводные структуры малых размеров; знать, как геометрические факторы влияют на распространение волн.
Физики из ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета совместно с американскими коллегами провели эксперименты на структурах разной сложности и размеров, сформированных на основе пленок ЖИГ. Для возбуждения и приема спиновых волн использовались микроскопические антенны, изготовленные на волноводах. Ученые посылали СВЧ-сигнал на одну из антенн, принимали его на другой и оценивали эффективность возбуждения спиновых волн и их прохождения между различными участками. Исследователи вывели ряд фундаментальных принципов, связывающих эффективность передачи сигнала с размерами и формой микроволновода, а также с выбором места расположения антенн.
«В качестве основы для изготовления исследуемых структур мы использовали пленки монокристаллического ЖИГ толщиной порядка одного микрометра. Такой выбор есть компромисс между тем, что, исходя из физических принципов, затухание спиновых волн растет с уменьшением толщины и тем, что с технологической точки зрения минимально достижимые размеры тем меньше, чем тоньше пленка. В результате нам удалось изготовить и исследовать структуры с минимальными размерами до десяти микрометров. Эти цифры, возможно, не столь впечатляющи, если их сравнивать с современной электроникой, где речь идет уже о нанометрах, но для магноники это значительный шаг вперед. Развитые нами технологии уже сейчас могут служить существенной миниатюризации классических спин-волновых устройств обработки СВЧ-сигналов и, в перспективе, их можно интегрировать в базовые технологии спинтроники по конвертации спинового и электрического токов. Кроме того, полученные вместе с американскими коллегами результаты закладывают физико-технологические основы к построению нового класса магнонных устройств для вычислительных систем: голографической памяти, распознавания магнитных образов, специального рода вычислений на основе алгоритмов, по эффективности не уступающих квантовым», — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Юрий Филимонов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
