Ученые МФТИ выявили уникальное спин-волновое явление в гибридах сверхпроводящих и ферромагнитных материалов. Спиновые волны активно исследуются как основа для элементов будущей электроники, выходящей за рамки кремниевых технологий.
Спиновые волны и их взаимодействие со сверхпроводниками
Спиновая волна — это коллективные колебания ориентаций спинов внутри магнитных материалов, таких как ферро- и ферримагнетики. Эти материалы обладают спонтанной намагниченностью при определенной температуре без внешнего поля. Спин (от 'spin' — вращение) представляет собой собственный магнитный момент электрона. Обменное взаимодействие между спинами в некоторых веществах выстраивает их коллективно в одном направлении, создавая намагниченность. Исследователи продемонстрировали, что распространение такой волны возле сверхпроводящей поверхности существенно изменяет ее скорость.
Антагонизм и синергия: сверхпроводимость встречает ферромагнетизм
Игорь Головчанский, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений МФТИ, поясняет: 'Сверхпроводимость и ферромагнетизм — явления-антагонисты, базирующиеся на противоположных принципах. Их совместное существование фундаментально интересно. Гибридизация в устройствах расширяет их функционал или открывает новые физические принципы работы'. Обычно при комбинации сверхпроводников и ферромагнетиков изменяется сверхпроводящая компонента. Однако в данной работе, используя классические материалы ниобий и пермаллой, ученые наблюдали изменение свойств именно ферромагнитной части.
Эксперимент: неожиданный сдвиг резонанса
Для изучения эффекта ученые разместили ферромагнитную пленку пермаллоя на сверхпроводящей ниобиевой подложке. Измерялись сверхвысокочастотные (СВЧ) свойства системы в магнитном поле. СВЧ сигнал вызывал прецессию магнитного момента в пермаллое — вращение вектора намагниченности. Резонансное поглощение излучения наблюдалось при совпадении частот СВЧ сигнала и резонансной прецессии. Ключевой результат: резонансные линии возникали не на ожидаемых частотах, а на более высоких. Игорь Головчанский подчеркивает: 'Такое смещение указывает на увеличение фазовой скорости спиновых волн возле сверхпроводника'.
Объяснение эффекта: зеркало в зазеркалье
Международной группе ученых (Россия, Германия, Нидерланды) удалось найти теоретическое объяснение. Моделирование показало, что рост фазовой скорости спиновой волны в ферромагнетике обусловлен ее взаимодействием с собственным зеркальным отражением (в зазеркалье) по другую сторону сверхпроводящей поверхности. Это отражение создается эффектом Мейсснера — полным вытеснением магнитного потока из сверхпроводника, аналогично эффекту левитации магнита.
Перспективы: новые горизонты для спинтроники
Лучшее понимание гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик открывает практические перспективы. Игорь Головчанский заключает: 'Увеличение скорости спиновых волн способно повысить быстродействие устройств или снизить их энергопотребление за счет уменьшения требуемого магнитного поля. Глобально, наши результаты означают: все созданное ранее на основе спиновых волн можно переосмыслить, комбинируя их со сверхпроводниками, и получить принципиально новое поведение систем'.
Исторический контекст
Ранее, в начале 90-х годов, в России проводились аналогичные исследования с керамическими системами на основе железо-иттриевого граната и высокотемпературных сверхпроводников.
