Ученые из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ продемонстрировали возможность использования гематита в качестве чувствительного элемента для обнаружения линейно поляризованных радиочастотных волн в диапазоне десятков ГГц. Работа была опубликована в Journal of Applied Physics.
Использование спиновой степени свободы электронов позволяет создавать новые устройства, которые могут передавать, принимать и обрабатывать сигналы гораздо эффективнее, чем традиционные.Ключевую роль в этих технологиях играет не обычный электрический ток, а так называемый «спиновый ток» — поток электронов, упорядоченных по их собственным магнитным моментам. Он не вызывает нагрева, как обычный ток, что делает его весьма перспективным для практических применений. Это открывает совершенно новые возможности для электроники и связи.
Для создания новых спинтронных устройств ученые ищут магнитные материалы с необычными свойствами. Особый интерес вызывают антиферромагнетики — материалы, в которых магнитные моменты атомов упорядочены противоположно. Они обладают рядом преимуществ перед традиционными ферромагнетиками. Например, благодаря более высоким резонансным частотам по сравнению с ферромагнитными материалами антиферромагнитные материалы гораздо более привлекательны в современной микроволновой технике и системах связи, а отсутствие макроскопического магнитного момента позволяет создавать более энергоэффективные устройства. Управление этим процессом дает возможность добиться значительных преимуществ при разработке электронных устройств нового поколения, сочетающих классические и квантовые технологии.
Один из методов изучения спинового тока в магнитных материалах — это спиновая накачка. Когда магнитный материал помещают в сильное магнитное поле, спины электронов в нем начинают синхронно прецессировать (одинаковым образом изменять ось вращения в пространстве). Это создает условия для передачи спинового импульса в прилегающий немагнитный металл, где возникает спиновый ток. Такое синхронное взаимодействие спинов называется ферромагнитным резонансом.
Гематит является одним из очень популярных магнитных материалов, которые используются в фундаментальных исследованиях. Наряду с наличием ненулевого антиферромагнитного момента, гематит обладает слабым ферромагнитным моментом при комнатной температуре, что позволяет изучать его резонансные спектры и спиновую накачку в диапазоне нескольких десятков гигагерц.
Рисунок 1. Гематит 𝛼-Fe2O3.
В работе российского коллектива ученых теоретически и экспериментально была исследована спиновая накачка из гематита при комнатной температуре.
Рисунок 2. Экспериментальная установка для измерения квазиферромагнитного резонанса (зеленая) и спиновой накачки (красная). Источник Journal of Applied Physics.
Под действием внешнего переменного СВЧ-излучения с линейной поляризацией происходит однородная прецессия магнитных подрешеток в антиферромагнетике. Ученые построили и проанализировали теоретическую модель этого процесса, а затем провели экспериментальные исследования с образцами гематита.
Рисунок 3. (а) Теоретические и экспериментальные зависимости резонансной частоты от магнитного поля гематита. Щель в энергетическом спектре при нулевом магнитном поле определяется полем спонтанной магнитострикции. (b) Действительная и (c) мнимая части коэффициента передачи мощности на разных частотах. Источник Journal of Applied Physics.
Экспериментальные точки были получены из измеренных спектров квазиферромагнитного резонанса на разных частотах. В момент резонанса образец поглощает больше мощности, что наглядно показывает коэффициент передачи мощности. Сравнивая теоретическую кривую с экспериментальными данными, ученые сделали вывод о высокой степени согласия. Для антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом щель в энергетическом спектре при нулевом магнитном поле определяется полем спонтанной магнитострикции, что продемонстрировано в эксперименте.
Однородная прецессия магнитных подрешеток приводит к спиновой накачке на границе гематит/платина и возбуждению спинового тока в платиновом слое. Из-за обратного спинового эффекта Холла появление спинового тока в слое платины приводит к ненулевой разности потенциалов на выходных электродах. Авторы экспериментально получили набор зависимостей выходного напряжения, вызванного обратным спиновым эффектом Холла, на различных частотах. Таким образом, в работе продемонстрировано, что гематит может быть использован в качестве чувствительного элемента для обнаружения резонанса линейно поляризованных микроволновых волн.
Рисунок 4. (а) Сравнение теоретической кривой с экспериментальными данными спинового напряжения Vsp на частоте 20 ГГц, нормированного на входную мощность. (б) Набор экспериментальных зависимостей выходного напряжения, вызванного обратным спиновым эффектом Холла, на различных частотах. Источник Journal of Applied Physics.
Также авторами работы был проведен эксперимент по измерению зависимостей спинового напряжения от приложенного внешнего магнитного поля для различных мощностей на частоте 20 ГГц. Результаты их измерений позволяют понять, как управлять спиновым напряжением, изменяя значения внешнего приложенного магнитного поля.
Рисунок 5. Экспериментально измеренная зависимость выходного напряжения Vsp от величины внешнего магнитного поля для различных мощностей входного сигнала на частоте 20 ГГц. На вставке показаны теоретическая и экспериментально измеренная зависимости выходного напряжения от мощности входного сигнала на частоте 20 ГГц. Источник Journal of Applied Physics.
«Мы использовали гематит в качестве чувствительного элемента для регистрации сигналов в СВЧ диапазоне, — прокомментировал Сергей Никитов, академик РАН, директор Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, заведующий кафедрой электроники МФТИ. — Дальнейшее совершенствование технологий выращивания монокристаллов и методов нанесения микро- и наноразмерных структур, а также создание многослойных пленок позволит повысить добротность такой системы и достичь уровня чувствительности, необходимого для современных приложений».
«Антиферромагнитные материалы в конечном итоге смогут заменить классические ферромагнитные структуры во многих областях их применения, — рассказал Дмитрий Калябин, доцент кафедры электроники МФТИ, руководитель лаборатории магнонной спинтроники Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН. — Например, для создания микроволновых устройств, детекторов слабых сигналов, магнитных элементов памяти и спиновых логических устройств».
Экспериментальное исследование спиновой накачки в антиферромагнетиках, таких как гематит, открывает новые перспективы для создания высокоэффективных электронных устройств нового поколения, сочетающих классические и квантовые технологии. Управление спиновой накачкой в таких материалах может стать ключом к прорывным разработкам в электронике будущего.
В работе участвовали ученые из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МФТИ, МЭИ, ВШЭ и Саратовского государственного университета.
