Ilustración. Cristal magnónico. Crédito:@tsarcyanide / MIPT
Físicos de Rusia y Europa han demostrado la posibilidad real de utilizar sistemas superconductores / ferromagnéticos para crear cristales magnónicos. que estará en el núcleo de los dispositivos de ondas de espín que vendrán en la era de la electrónica posterior al silicio. El artículo fue publicado en la revista Ciencia avanzada .
Magnonics investiga las posibilidades de utilizar ondas de giro para transmitir y procesar información. Mientras que la fotónica se ocupa de fotones y ondas electromagnéticas, el foco de la magnónica está en las ondas de espín, o magnones, que son oscilaciones armónicas de la orientación de momentos magnéticos. En materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos de los electrones, es decir., sus giros, están alineados en un campo magnético. Las ondas de alineación de espín observadas en un sistema magnético se denominan ondas de espín.
La magnónica se considera un área de investigación prometedora en la electrónica de ondas post-silicio, ya que las ondas de giro tienen una serie de ventajas sobre, decir, fotones de microondas. Por ejemplo, Las ondas de giro pueden controlarse mediante un campo magnético externo. Microondas que son esencialmente ondas electromagnéticas, tienen una longitud de onda promedio de un centímetro, mientras que las ondas de espín en el mismo rango de frecuencia de microondas tienen longitudes de onda de micrómetros. Es por eso que estas ondas controlables se pueden utilizar para construir microdispositivos muy compactos para señales de microondas.
Los cristales magnónicos son los sistemas más fundamentales (a veces denominados bloques de construcción) necesarios para construir un dispositivo que funciona utilizando señales de ondas de giro. Estos cristales tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales y se encontrarán en el corazón de los filtros de frecuencia, acopladores de rejilla, guías de ondas, y dispositivos magnónicos, que son análogos de transistores.
Los autores de este estudio probaron su hipótesis básica, que era el siguiente:¿Se puede crear un cristal magnónico utilizando un sistema híbrido ferromagnet / superconductor? El ferromagnetismo y la superconductividad son dos fenómenos antagónicos. En un superconductor, los espines de los electrones unidos en un par de Cooper están orientados en direcciones opuestas, mientras que en los ferroimanes, tienden a alinearse en la misma dirección. Los científicos han tratado tradicionalmente de influir en las propiedades superconductoras con ferromagnetismo.
"Los últimos años, hemos tenido éxito en lograr lo contrario. Primero, Examinamos sistemas ferromagnéticos y vemos si sus propiedades ferromagnéticas pueden modificarse de alguna manera usando superconductores. Es por eso que ha atraído el interés mundial, "explica el Dr. Igor Golovchanskiy, coautor del estudio e investigador del Laboratorio de Fenómenos Topológicos Cuánticos en Sistemas Superconductores del MIPT. "Inicialmente, Magnonics incluyó solo investigaciones a temperatura ambiente. Por lo tanto, hibridación de ferromagnetos con superconductores, que no existen a temperatura ambiente, estaba fuera de cuestión. Además, El ferromagnetismo se ha considerado tradicionalmente "más fuerte" que la superconductividad y, por eso, no puede ser influenciado por ella. Nuestro laboratorio estudia sistemas criogénicos, y nos propusimos observar cómo se comportan los sistemas magnónicos a temperaturas criogénicas cuando se ven obligados a interactuar con superconductores ".
El principal resultado de esta investigación es que los científicos han demostrado que es posible trabajar con cristales magnónicos utilizando el sistema híbrido superconductor / ferromagnet. Los científicos también han observado una estructura de banda magnónica peculiar en su arquitectura caracterizada por la presencia de bandas prohibidas en el rango de frecuencia de gigahercios.
Figura 1. Una representación esquemática de ondas de espín que viajan a través del metamaterial y el espectro de ondas resultante, reflejando las propiedades de un cristal artificial Crédito:@tsarcyanide / MIPT
La investigación se llevó a cabo en tres etapas:se fabricó y midió una muestra, y luego se realizaron simulaciones. El sistema consistía en una estructura regular superconductora de niobio (Nb) colocada sobre una película fina ferromagnética de permalloy (Py) de Ni80Fe20.
El sistema se colocó en un criostato, y se midió el coeficiente de transmisión de la señal de microondas. Si el valor era el mismo que las frecuencias fundamentales del sistema, Se observó absorción de resonancia. Esto se llama resonancia ferromagnética. El espectro obtenido mostró dos líneas, lo que indica que la estructura periódica constaba de dos áreas unidas con condiciones alternas de resonancia ferromagnética. Las propiedades ferromagnéticas fueron moduladas por medio de la estructura superconductora.
Durante la tercera etapa, Se realizaron "simulaciones micromagnéticas". Esto ayudó a los investigadores a recrear la estructura de la banda magnónica, que está formado por bandas permitidas y prohibidas con una geometría diferente.
El proceso tecnológico de desarrollo de componentes microelectrónicos basados en silicio está llegando al límite teórico de tamaños disponibles. Como resultado, un mayor aumento de la capacidad computacional, y de ahí la continua miniaturización de componentes, requiere nuevos enfoques. A este respecto, los sistemas de superconductores / ferromagnéticos investigados ofrecen buenas perspectivas para la electrónica de ondas, ya que los tamaños críticos de los materiales superconductores son menores a un micrómetro. Por lo tanto, es posible hacer que los elementos superconductores sean muy pequeños.
Los autores del estudio creen que los resultados de su investigación encontrarán uso en electrónica de microondas y magnónica, incluido el campo de la magnónica cuántica. Sin embargo, la gama de aplicaciones potenciales sigue siendo limitada ya que el sistema no puede sobrevivir a temperatura ambiente.
El estudio reportado en esta historia es un esfuerzo combinado de investigadores de una variedad de instituciones:el Laboratorio de Fenómenos Topológicos Cuánticos en Sistemas Superconductores del MIPT, la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología (MISIS), el Instituto de Física del Estado Sólido de la Academia de Ciencias de Rusia, MEPhI de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear, Universidad Federal de Kazán, la Escuela Superior de Economía, Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania), el Instituto MESA + de nanotecnología, y la Universidad de Twente (Holanda).
