Коллектив ученых МФТИ, НИТУ МИСИС и ВНИИА им Н.Л. Духова разобрался в механизме взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма при высоких частотах. Исследование провели на тонкопленочных гетероструктурах изготовленных на кристалле кремния. Это открытие может найти применение в криогенной СВЧ-электронике. Научная статья опубликована в научном журнале Physical Review Applied.
Магноника, которая в будущем может стать альтернативой привычной кремниевой волновой электронике, изучает возможность передачи и обработки информации с помощью спиновых волн в магнитоупорядоченных веществах: ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках. В магнонике главную роль играют спиновые волны или магноны — гармонические колебания ориентации магнитного момента. В ферромагнетике магнитные моменты электронов, то есть их спины упорядочены, а возникающие в этом упорядочении волны называются «спиновыми волнами».
У спиновых волн, возникающих в магнитоупорядоченных веществах, есть ряд преимуществ по сравнению с электромагнитными волнами, которые также используются в электронике. Спиновые волны могут управляться внешним магнитным полем, при этом длина электромагнитной волны сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ-волны) — порядка сантиметра, тогда как для спиновых волн того же СВЧ-диапазона она составит микрометры. Поэтому на основе спиновых волн можно сделать очень компактные и перестраиваемые микроустройства для работы с СВЧ-сигналами.
Ученые МФТИ совместно с коллегами из Университета МИСИС и ВНИИА разобрались в магнитодинамических явлениях тонкопленочных структур сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник. Ранее ученые обнаружили, что при наличии сверхпроводящих слоев на обеих границах раздела сверхпроводник-ферромагнетик возникает массивный сдвиг ферромагнитного резонанса в сторону высоких частот. До сих пор было неизвестно, с чем это связано.
«Среди магнитных материалов не существует таких, у которых в нулевом поле резонансная частота оставалась бы крайне высокой —
10-15 ГГц. Но у исследованного материала такой эффект наблюдался. Оказалось, что динамика магнитного момента, на интерфейсах сверхпроводник-фромагнетик начинает „цепляться“ за сверхпроводящие токи и эти токи начинают макроскопически циркулировать. Такое простое явление и приводит к тому, что радикально меняются частоты резонанса. Интерес явлению добавляет тот факт, что сверхпроводимость и магнетизм являются антагонистами — они обычно не любят взаимодействовать, то есть ухудшают свойства друг друга, а в исследованных образцах свойства, наоборот улучшились», — рассказал первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и заведующий лаборатории криоэлектронных систем НИТУ МИСИС, д.ф.-м.н. Игорь Головчанский.
Физики сделали множество образцов с разными толщинами и свойствами и провели комплекс исследований в широком диапазоне температур и магнитных полей, накопив большой объем данных. Образцы, производимые с помощью тонкопленочных технологий, представляли собой планарные микроструктуры ферромагнитного пермаллоя (Py) помещенные между тонкими пленками ниобия (Nb). На подложку с помощью технологии магнитронного напыление наносилась тонкие слои толщиной порядка десятка нанометров. После этого при помощи литографии образцы структурировались — происходила засветка шаблона и плазмохимическое травление пленок через специальную маску. В конце полученные структуры измерялись в криостате замкнутого цикла с помощью СВЧ анализаторов цепей. Исходя из полученных данных, ученым удалось описать модель того, как происходит гигантское изменение резонансной частоты в образцах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник.
«Данная работа является частью целого научного направления, начатого нашей группой еще в 2015 году, на данный момент результаты исследований опубликованы в более чем 15 высокорейтинговых журналах», — добавил директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, заведующий лаборатории сверхпроводящих и квантовых технологий ВНИИА им. Н.Л. Духова, д.ф.-м.н. Василий Столяров, соавтор исследования.
Как отмечают исследователи, результаты работы могут найти применение в криогенной СВЧ-электронике и магнонике, например, при разработке элементов транзисторов, диодов, и фильтров.
В работе, кроме сотрудников Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и лаборатории криоэлектронных систем НИТУ МИСИС принимали участие ученые из Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, Института физики твердого тела РАН, МИФИ, Институт кристаллографии им. Шубникова, Институт нанотехнологий MESA+, Университет Твенте (Нидерланды). Работа была реализована при поддержке Российского научного фонда.
