Ученые из Института квантовых технологий МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН с коллегами теоретически исследовали взаимодействие резонансных мод между двумя магнитными слоями гетероструктуры. Результаты этого исследования важны для развития спинтроники и магноники. Это новые направления науки, изучающие применение спина электрона для создания энергоэффективных устройств, таких как энергонезависимая память и высокочувствительные магнитные датчики, а также детекторов и генераторов терагерцового излучения. Статья опубликована в журнале «Радиотехника и электроника».
Развитие спинтроники и магноники тесно связано с изучением спиновых эффектов, таких как перенос спина электрона в дополнение к его заряду. Именно эти эффекты дают возможность создавать устройства, которые будут работать быстрее и с меньшим потреблением энергии. Для этого используются магнитоупорядоченные материалы, такие как ферромагнетики или антиферромагнетики.
Особый интерес представляют многослойные структуры из магнитных материалов различного типа, поскольку в таких системах может возникать резонансное взаимодействие между материалами с разным магнитным порядком.
В этом исследовании авторы впервые теоретически исследовали двухслойную структуру, состоящую из скошенного антиферромагнетика и ферромагнетика. Новизна работы заключается в использовании скошенного антиферромагнетика, это антиферромагнетик со слабым ферромагнетизмом, где подрешетки намагниченности слегка отклонены от антипараллельной ориентации. Подобных исследований ранее не проводилось. Скошенные антиферромагнетики представляют особый интерес, поскольку из-за своей структуры имеют две резонансные моды: нижняя (в десятках гигагерц) удобна для экспериментов, в отличие от верхней (в сотнях гигагерц).
В таких структурах формируется обменное взаимодействие между магнитными моментами слоев, из-за чего возникает предпочтительная ориентация магнитных моментов, направленная в одну сторону. Это приводит к гибридизации мод — взаимодействию резонансных колебаний магнитных моментов между слоями. Это приводит к тому, что частоты этих мод сдвигаются относительно резонансных частот несвязанных слоев. Это свойство может использоваться при разработке сенсоров и генераторов, где необходимо уметь регулировать частотные характеристики.
Результаты теоретического моделирования на параметрах реальных материалов (гематит и пермаллой) показали, что обменное взаимодействие в структуре скошенный антиферромагнетик / ферромагнетик приводит к гибридизации резонансных мод. То есть нижняя мода антиферромагнетика и мода ферромагнетика «расталкиваются» с образованием щели — области, в которой моды не пересекаются. Ее ширина увеличивается в два-четыре раза с увеличением силы обменного взаимодействия между слоями. Это открывает новые возможности для создания настраиваемых фильтров и сенсоров.
Также результаты показали, что гибридизация не затрагивает верхнюю моду скошенного антиферромагнетика (сотни ГГц), в отличие от обычных антиферромагнетиков. Это говорит об отсутствии помех от верхней моды, что позволит сфокусироваться на удобной нижней моде для экспериментов и приложений.
«В целом исследование подобных структур направлено на то, чтобы сделать их основой для генераторов и детекторов гига- и терагерцового излучения, устройств магнитной памяти, работающих на принципах магноники и спинтроники. В частности, в нашей работе показано, что когда частота резонанса в одном слое приближается к резонансной частоте в другом слое, вместо взаимного усиления образуется область в частотном спектре, в которой никакого резонансного возбуждения не происходит. Это можно использовать, например, для фильтрации сигнала»,— рассказал Алексей Мещеряков, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники Института квантовых технологий МФТИ.
Результаты этой теоретической работы имеют фундаментальное значение для понимания спин-волновых эффектов, таких как гибридизация мод и наведенная анизотропия. Они открывают путь к контролю магнитных колебаний на наноуровне. Это позволит создавать устройства спинтроники и магноники в 2–5 раз более эффективные по сравнению с традиционными ферромагнитными структурами.
Предложенная гетероструктура упрощает проведение экспериментов и их практическое применение за счет использования нижней моды скошенного антиферромагнетика. Все это способствует переходу от зарядной электроники к спиновой, снижая энергопотребление устройств на 50–90% и повышая скорость обработки данных до терагерцового диапазона.
_____________________________________________________
В работе участвовали ученые из Института квантовых технологий МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МЭИ, ВШЭ и Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского.
Научная статья: Мещеряков А. А., Сафин А. Р., Калябин Д. В., Никитов С. А. Взаимодействие резонансных мод в гетероструктуре скошенный антиферромагнетик / ферромагнетик // Радиотехника и электроника / Journal of Communications Technology and Electronics. 2025. Т. 70. №12. С. 1190–1199. DOI: 10.7868/S3034590125120066
Институт квантовых технологий МФТИ (ИКТ) выполняет исследования полного цикла от поисковых НИР до ОКТР по разработке технологий и оборудования в направлениях: квантовые системы, наноэлектроника, разработка приборов для научных исследований и технологии гибридной микроэлектроники.
ИКТ стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ стали ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступили такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
