Ученые создали первые электрические цепи из магнитных изоляторов, работающие за счет движения спин-волн - «Наука и технологии»

Исследователи из университета Гронингена (University of Groningen), Утрехтского университета (Utrecht University) и некоторых других организаций обнаружили возможность изготовления электрических цепей из магнитного материала, являющегося электрическим диэлектриком, что считалось невозможным в более ранние времена. Эти цепи работают за счет возбуждения в них и движения так называемых спин-волн, волнообразного изменения направления вращений электронов атомов магнитного материала. Устройства, основанные на таком принципе, в теории могут работать эффективней и быстрей обычных электронных устройств, потребляя при этом совсем незначительное количество энергии.

Напомним нашим читателям, что вся современная электроника работает за счет движения электрического тока, движения электрических зарядов, носителями которых являются электроны. В магнитных изоляторах электроны не могут перемещаться, поэтому, для переноса сигналов используют спин-волны. Эти спин-волны возникают при воздействии на материал магнитного или электрического поля, которые заставляют электроны внешних оболочек атомов вращаться в направлении, противоположном направлению приложенного магнитного поля. И теперь, ученым удалось продемонстрировать, что при помощи спин-волн можно передавать электрические сигналы через магнитный диэлектрический материал.

До последнего времени ученые уже предпринимали попытки создания спинтронных устройств, но все они натыкались на проблему, связанную с большим количеством энергии, которую надо "закачать" в систему для того, чтобы в ней возникли спин-волны необходимой амплитуды. Однако в результате последних исследований ученым удалось спроектировать спинтронное устройство, ключевой особенностью которого стала его геометрическая форма. Это позволило ученым использовать в своих целях спин-волны, которые уже присутствуют в любом магнитном материале, возникая в результате тепловых колебаний атомов. За счет этого системе для ее работы требуется существенно меньшее количество энергии, которая расходуется не на возбуждение, а только на упорядочивание тепловых спин-волн.

Магнитная часть системы состоит из 200-нанометрового слоя железно-иттриевого граната (yttrium iron garnet, YIG), минерала, являющегося магнитным изолятором. С двух концов на полосу этого материала нанесены платиновые электроды. Электроны могут перемещаться через платину, но не через гранат, так как он является электрическим диэлектриком, но ток, проходящий через платиновый электрод, влияет на намагничивание поверхности кристалла YIG. В результате этого вращение электронов приобретает упорядоченную форму и материале возникает спин-волна.

Платиновый электрод на втором конце кристалла выступает в роли детектора спин-волн. В этом месте происходит процесс, полностью противоположный процессу, происходящему на другом конце кристалла. Спин-волна, дойдя до границы YIG и платины, передает свою энергию электронам платины, что приводит к возникновению слабого электрического тока, который можно усилить до необходимой величины и измерить с высокой точностью.

При создании спинтронно-электронной цепи исследователи использовали еще одну уловку, обнаруженную ими во время проведения предыдущих исследований. Электрический ток, проходящий по первому платиновому электроду, нагревает его и это тепло передается кристаллу YIG, возбуждая тепловые спин-волны, которые потом упорядочиваются и объединяются в одну большую спин-волну. На другом конце кристалла энергия спин-волны, переносящей часть тепловой энергии, позволяет нагреть или охладить (в зависимости от направления вращения электронов) второй платиновый электрод, что также можно использовать в качестве дополнительного источника полезного сигнала.