Ученые из МФТИ изучили новые свойства одного из самых популярных в мире материалов для производства магнитов. Оказалось, что этот материал можно применять в электронике нового поколения — терагерцовых приборах. Работа опубликована в журнале группы Nature — NPG Asia Materials.
Терагерцовые технологии пока не вошли плотно в нашу повседневную жизнь, однако ввиду их бурного развития этот день явно не за горами. Многие из нас, сами того не зная, уже соприкоснулись с терагерцовыми приборами, например проходя на посадку в аэропорту через сканер для досмотра. Это лишь один из множества примеров терагерцовых приборов. Область их применения захватывает медицину, телекоммуникации, информационную безопасность и многие другие сферы. Но чего же не хватает перспективным технологиям для уверенного развития? Ответ прост — материалов. Тех самых «кирпичиков», из которых ученые и инженеры строят наше с вами будущее. И здесь на сцену выходят гексаферриты. Несмотря на непривычное название, на самом деле гексаферриты хорошо знакомы любому человеку, который держал в руках банковскую карточку, карту-ключ от номера в отеле или кассету с магнитной лентой. Все эти вещи объединяет одно — магнитные полоски в них сделаны из гексаферрита. Внешне невзрачное черно-коричневое вещество, как оказалось, является весьма привлекательным магнитным материалом. А тот факт, что гексаферриты еще и достаточно дешевы в производстве, так как их получают из отходов металлургии и машиностроения, позволил им развернуться во всю мощь на магнитном рынке и занять добрую его треть с годовым оборотом в миллиарды долларов. Однако прославившие гексаферрит магнитные свойства заставили незаслуженно забыть о других его выдающихся качествах. Исторически научное изучение гексаферритов шло довольно однобоко: ученые немного меняли химическую формулу и смотрели, как это скажется на магнитных характеристиках. Остальные исследования если и проводились, то с сильно меньшим энтузиазмом.
Ученые из МФТИ в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали потенциал гексаферрита для терагерцовых технологий. Результат оказался впечатляющим. Одной из желанных характеристик материала в современном приборостроении является настраиваемость, то есть возможность целенаправленно менять свойства вещества. Например, меняя температуру, управлять прозрачностью материала и т.д. Именно настраиваемость гексаферритов и вызвала восторг исследователей. Людмила Алябьева с коллегами исследовали гексаферрит бария-свинца. Оказалось, что если в гексаферрит бария добавить свинец, это значительно изменит его терагерцовый отклик, то есть характер взаимодействия с терагерцовым излучением. Изучая, как количество добавленного в гексаферрит свинца влияет на способность поглощать терагерцы, ученые обнаружили, что при определенной концентрации свинца отклик меняется внезапно и неожиданным образом. В нем появляется полоса поглощения, которую можно передвигать по частоте. Чтобы сместить такую полосу, нужно просто охладить материал — и гексаферрит станет легко настраиваемым! В принципе, само явление таких перемещающихся полос поглощения известно в физике твердого тела и носит название «мягкие моды». Однако мягкая мода, обнаруженная в гексаферрите, задала ученым сразу две загадки: во-первых, само ее появление было полной неожиданностью, а во-вторых, ее поведение при понижении температуры отличается от предписываемого стандартной теорией. В своей работе Людмила Алябьева и соавторы предлагают объяснение обоим явлениям — и неожиданному появлению мягкой моды, и ее необычному поведению.
«Помимо очевидной практической значимости, исследование имеет и чисто фундаментальный интерес: мы впервые пронаблюдали мягкую моду с таким экзотическим температурным поведением. Сейчас мы активно работаем над тем, чтобы выяснить, какие физические процессы лежат в основе ее природы», — говорит Борис Горшунов, д. ф.-м. н., руководитель лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Таким образом, гексаферрит, кроме заслуженной славы на магнитном поприще имеет также потенциал для покорения вершин терагерцовой электроники. Дешевизна производства, химическая стабильность, нетоксичность и экологичность также сыграют здесь свою роль.
«Конечно, не обошлось без проблем: для досконального изучения свойств гексаферрита нам требовались достаточно большие кристаллы, в то время как все хорошо отработанные в мире технологии работают на получение мелких кристалликов или порошков. Однако и эта проблема постепенно преодолевается. Например, уникальные по размеру и качеству кристаллы для данной работы были выращены нашими коллегами, группой профессора Дениса Винника в Челябинске», — добавляет Людмила Алябьева, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и первый автор работы.
В работе, кроме сотрудников лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие их коллеги из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Южно-Уральского государственного университета, Южного федерального университета, Института физики Чешской академии наук и Карлова университета (Чешская Республика), Штутгартского и Аугсбургского университетов (Германия), а также Института автоматики и электрометрии СО РАН.
