Ученые из МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН с коллегами открыли новый тип резонансного взаимодействия. Они показали, что циклотронный резонанс в электронной системе и ферромагнитный резонанс в магнитной пленке эффективно взаимодействуют через электромагнитное поле. Работа показывает новые возможности для разработки гибридных магнито-электронных устройств. Статья опубликована в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)».
До сих пор в гибридных структурах ферромагнетик—двумерная электронная структура ученые в основном исследовали взаимодействие плазмонов (коллективных колебаний электронной плотности) с магнонами, или спиновыми волнами. Однако в двумерной электронной структуре может возникать циклотронный резонанс. Это явление наблюдается, когда электроны, движущиеся в магнитном поле по окружности, поглощают электромагнитную волну, если ее частота совпадает с частотой их вращения. Именно взаимодействие этого резонанса и ферромагнитного впервые обнаружили российские ученые и теоретически исследовали его.
«Наше исследование потребовало знаний из разных областей физики: динамики электронов в двумерных системах и динамики намагниченности в магнетиках — условно говоря, двумерной плазмоники и спинтроники»,— рассказал Андрей Заболотных, доцент кафедры электроники МФТИ, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники».
Физики рассмотрели простую модель: двумерная электронная система на тонкой ферромагнитной пленке, которая, в свою очередь, лежит на металлическом затворе. Вся структура помещена во внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости слоев. На основе этой модели ученые получили аналитические формулы для коэффициента поглощения и частот резонансов.
Вычисления показали, что циклотронный и ферромагнитный резонансы взаимодействуют друг с другом, что проявляется в виде взаимного расталкивания частот — антикроссинга. Если бы связи между резонансами не было, то их частоты просто пересекались. Затем физики выполнили расчеты для реалистичных параметров материалов — ферромагнитной пленки Bi:TmIG и двумерной электронной системы на основе AlGaAs.
Для реальных материалов величина расщепления, то есть разница между частотами при взаимодействии, составила 1,6 ГГц при магнитном поле около 131 Э. Этот результат говорит о том, что эффект доступен для экспериментального наблюдения. Кроме того, вычисления показали, что в предложенной системе магнитная пленка способна усиливать циклотронный сигнал в несколько раз, что позволит повысить его чувствительность.
Обнаруженное российскими учеными резонансное взаимодействие создает новый, управляемый канал сильной связи между магнитной и электронной подсистемами. Результаты исследования актуальны для развития спинтроники, магнонной логики, нейроморфных вычислений и гибридных магнито-электронных устройств.
«Что касается дальнейших исследований, то идей довольно много. Во-первых, переход в более высокочастотный (терагерцевый) диапазон, например, за счет замены ферромагнетика на антиферромагнетик. Во-вторых, исследование гибридизации магнонов с плазмонами (коллективными возбуждениями 2D-системы). Интересно было бы перейти к двумерным магнетикам для усиления связи за счет непосредственной близости слоев»,— поделился Игорь Загороднев, заведующий лабораторией электронных свойств низкоразмерных систем ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, старший научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А.А. Абрикосова МФТИ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы создания и развития Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники» по соглашению о предоставлении гранта №075-15-2025-588.
Научная статья: А. А. Заболотных, И. В. Загороднев, А. А. Матвеев, Д. А. Родионов, О. Ю. Архипова, Д. В. Калябин, А. Р. Сафин, С. А. Никитов. Гибридизация ферромагнитного и циклотронного резонансов в двумерной электронной системе на ферромагнитной пленке // Письма в ЖЭТФ. 2026. Т. 123, вып. 4. С. 293–299. DOI: https://doi.org/10.7868/S3034576626020206. PDF
