Спинтронный детектор на основе лютециевого граната и платины способен не только регистрировать микроволны, но и определять и преобразовывать их поляризацию. В будущем на его основе планируют создавать миниатюрные модули связи для космических спутников, вживляемые медицинские датчики для мониторинга биохимических процессов изнутри, матричные радары для беспилотников, а также элементы для квантовой электроники.
Парадокс технологического прогресса: чем сложнее становятся системы связи, тем больше энергии и ресурсов они потребляют. В частности, чтобы увеличить пропускную способность каналов и улучшить качество сигнала спутников, радаров и станций 5G, важно не только улавливать электромагнитные волны, но и быстро различать их поляризацию. Сегодня с этой задачей справляются вентили и циркуляторы, но при этом они занимают большую площадь и требуют больших затрат, работают в узком диапазоне и сравнительно медленно.
Российские ученые решили этот парадокс: компактный спинтронный детектор толщиной чуть больше ста нанометров за считанные секунды способен не только регистрировать микроволновое излучение, но и различать его поляризацию с высокой точностью.
Основные компоненты устройства: тонкая пленка лютециевого граната и слой платины. Когда микроволны попадают на гранат, внутри него возникают специфические колебания намагниченности, интенсивность которых резко возрастает при достижении резонанса.
Эти колебания генерируют спиновый ток, который передается в слой платины. Благодаря обратному спиновому эффекту, характерному для платины, спиновый ток преобразуется в электрическое напряжение. Величина этого напряжения напрямую зависит от поляризации излучения, поэтому детектор не просто ловит излучение, но и точно определяет его поляризацию.
«Мы не просто уменьшили микроволновый детектор в десятки раз, а сделали его универсальным: с помощью магнитного поля мы можем настраивать нужную частоту, использовать его как фильтр или даже конвертер, например, эффективно преобразовывать круговую поляризацию в линейную.
Широкий частотный диапазон детектора, его сверхнизкое энергопотребление и совместимость с кремниевыми технологиями в будущем помогут создавать на его основе крошечные и легкие модули связи для космических спутников, вживляемые медицинские датчики для мониторинга биохимических процессов изнутри, матричные радары для беспилотников, и, конечно же, элементы для квантовой электроники», — поделился Сергей Никитов, академик РАН, заведующий кафедрой электроники МФТИ.
Следующий шаг ученых — подробнее изучить, как ведет себя система при разных видах поляризации волн: не только линейной и круговой, но и более сложных. Эти исследования помогут расширить возможные области применения технологии и создать реальные устройства для систем связи и компактных датчиков для радаров.
