Fysiker från Ryssland och Europa har visat den verkliga möjligheten att använda supraledare/ferromagnetsystem för att skapa magnoniska kristaller, som kommer att vara kärnan i spin-wave-enheter som kommer i elektronikens era efter kisel. Uppsatsen publicerades i tidskriften Avancerad vetenskap .

Magnonics undersöker möjligheterna att använda spinnvågor för att överföra och bearbeta information. Medan fotonik handlar om fotoner och elektromagnetiska vågor, fokus för magnonics ligger på spinnvågor, eller magnoner, som är harmoniska svängningar av orienteringen av magnetiska moment. I ferromagnetiska material, elektronernas magnetiska moment, dvs. deras snurr, är inriktade i ett magnetfält. De vågor av spinnjustering som observeras i ett magnetiskt system kallas spinnvågor.

Magnonics ses som ett lovande forskningsområde inom post-kiselvågelektronik, eftersom spinnvågor har ett antal fördelar framför, säga, mikrovågsfotoner. Till exempel, spinnvågor kan styras av ett externt magnetfält. Mikrovågsugnar, som i huvudsak är elektromagnetiska vågor, har en genomsnittlig våglängd på en centimeter, medan spinnvågor i samma mikrovågsfrekvensområde har våglängder på mikrometer. Det är därför dessa kontrollerbara vågor kan användas för att bygga mycket kompakta mikroenheter för mikrovågssignaler.

Magnonic kristaller är de mest grundläggande systemen (ibland kallade byggstenar) som krävs för att bygga en enhet som fungerar med spinnvågssignaler. Dessa kristaller har ett brett utbud av potentiella tillämpningar och kommer att ligga i hjärtat av frekvensfilter, gallerkopplingar, vågledare, och magnoniska enheter, som är analoger till transistorer.

Författarna till denna studie testade sin grundläggande hypotes, som var följande:Kan en magnonisk kristall skapas med ett ferromagnet/supraledarhybridsystem? Ferromagnetism och supraledning är två antagonistiska fenomen. I en supraledare, spinnen av elektronerna bundna till ett Cooper-par är orienterade i motsatta riktningar, medan i ferromagneter, de tenderar att riktas i samma riktning. Forskare har traditionellt försökt påverka supraledande egenskaper med ferromagnetism.

"De senaste åren, vi har lyckats med att uppnå det omvända. Först, vi undersöker ferromagnetiska system och ser om deras ferromagnetiska egenskaper på något sätt kan modifieras med hjälp av supraledare. Det är därför det har väckt globalt intresse, " förklarar Dr. Igor Golovchanskiy, en medförfattare till studien och forskare vid MIPT:s Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems. "Initialt, magnonics omfattade endast rumstemperaturundersökningar. Därför, hybridisering av ferromagneter med supraledare, som inte finns vid rumstemperatur, var uteslutet. Förutom, ferromagnetism har traditionellt ansetts vara "starkare" än supraledning och, därav, kan inte påverkas av det. Vårt laboratorium studerar kryogena system, och vi satte oss som mål att titta på hur magnoniska system beter sig vid kryogena temperaturer när de tvingas interagera med supraledare."

Huvudresultatet av denna forskning är att forskarna har visat att det är möjligt att arbeta med magnoniska kristaller med hjälp av supraledare/ferromagnet-hybridsystemet. Forskarna har också observerat en märklig magnonisk bandstruktur i sin arkitektur som kännetecknas av närvaron av förbjudna band i gigahertz-frekvensområdet.

Forskningen genomfördes i tre steg:ett prov tillverkades och mättes, och sedan genomfördes simuleringar. Systemet bestod av en vanlig supraledande niob (Nb) struktur placerad ovanpå en ferromagnetisk Ni80Fe20 permalloy (Py) tunn film.

Systemet placerades i en kryostat, och mikrovågssignalöverföringskoefficienten mättes. Om värdet var detsamma som systemets grundfrekvenser, resonansabsorption observerades. Detta kallas ferromagnetisk resonans. Det erhållna spektrumet visade två linjer, vilket indikerar att den periodiska strukturen bestod av två bundna områden med alternerande ferromagnetiska resonansförhållanden. De ferromagnetiska egenskaperna modulerades med hjälp av den supraledande strukturen.

Under det tredje steget, "mikromagnetiska simuleringar" utfördes. Detta hjälpte forskarna att återskapa den magnoniska bandstrukturen, som bildas av tillåtna och förbjudna band med en annan geometri.

Den tekniska processen för utveckling av kiselbaserade mikroelektroniska komponenter når den teoretiska gränsen för tillgängliga storlekar. Som ett resultat, en ytterligare ökning av beräkningskapacitet, och därav den fortsatta miniatyriseringen av komponenter, kräver nya tillvägagångssätt. I detta avseende de undersökta supraledare/ferromagnetsystemen erbjuder goda möjligheter för vågelektronik, eftersom de kritiska storlekarna för supraledande material är mindre än en mikrometer. Därför, det är möjligt att göra supraledande element mycket små.

Författarna till studien tror att resultaten av deras forskning kommer att användas i mikrovågselektronik och magnonics, inklusive kvantmagnonics området. Dock, utbudet av potentiella applikationer är fortfarande begränsat eftersom systemet inte kan överleva vid rumstemperatur.

Studien som rapporteras i denna berättelse är en kombinerad ansträngning av forskare från en rad institutioner:MIPT:s laboratorium för topologiska kvantfenomen i supraledande system, National University of Science and Technology (MISIS), Institutet för fasta tillståndets fysik vid den ryska vetenskapsakademin, National Research Nuclear University MEPhI, Kazan Federal University, Handelshögskolan, Karlsruhe Tekniska Högskola (Tyskland), MESA+ Institute for nanotechnology, och University of Twente (Nederländerna).