Саратовские физики совместно с американскими коллегами выяснили, как создать эффективные «провода» для устройств нового поколения, основанных на токе не электронов, а магнитных моментов — спинов, присущих магнитным материалам. Авторы смогли управлять эффективностью передачи сигнала при помощи геометрических параметров магнитных структур. Результаты работы позволяют увидеть возможности и пределы технологий, еще не вошедших в нашу жизнь, но активно развивающихся в качестве потенциальной замены классическим электронным устройствам. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
Экспериментаторы из лаборатории магнитоэлектроники СВЧ Саратовского филиала Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН рядом с установкой для исследования спиновых волн
Фото: Юрий Хивинцев
Экспериментаторы из лаборатории магнитоэлектроники СВЧ Саратовского филиала Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН рядом с установкой для исследования спиновых волн
Фото: Юрий Хивинцев
Для традиционных электронных устройств остро стоит проблема выделения тепла, связанная с протеканием электрических токов. Именно из-за этого нельзя пытаться повысить их производительность простым увеличением числа и плотности компонентов: компьютеры и гаджеты будут просто перегреваться или даже плавиться. Открытие принципов, которые позволили бы не использовать электрические токи, поможет сделать устройства более энергоэффективными.
Активно развивается магноника: в ее концепции информацию переносят так называемые магноны—квазичастицы спиновых волн. При отклонении спина от равновесного положения он начинает прецессировать, то есть совершать круговые колебательные движения, меняя свое направление вокруг равновесного положения. По цепочке это происходит со спинами по всему материалу. Таким образом формируется спиновая волна, которая способна переносить энергию и информацию. Именно такие процессы открывают возможность создать полностью «безэлектронные» устройства.
«Базовыми блоками для построения магнонных устройств являются волноводы для спиновых волн и их сочленения. При этом важно обеспечить эффективное, то есть с малыми потерями, прохождение спиновых волн через эти блоки. Наиболее популярны для подобных экспериментов пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), характеризующегося рекордно слабым затуханием спиновых волн среди известных магнитных материалов. Именно ЖИГ используется в современных спин-волновых устройствах и рассматривается в качестве основного кандидата для построения будущих устройств магноники. Однако мир стремится к миниатюризации — тоньше, мельче, плотнее,— и чтобы сделать магнонные устройства конкурентоспособными, необходимо уметь изготавливать волноводные структуры малых размеров, знать, как геометрические факторы, связанные с миниатюризацией, влияют на распространение спиновых волн»,— рассказывает Юрий Хивинцев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и руководитель лаборатории магнитоэлектроники СВЧ Саратовского филиала Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН и доцент Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.
Физики из ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета совместно с группой профессора Александра Хитуна из Университета Калифорнии в Риверсайде провели эксперименты на структурах разных размеров — от сотни до десяти микрометров,— сформированных на основе пленок ЖИГ с помощью классических технологий микроэлектроники. Авторы исследовали как отдельные волноводы, так и составленные из них структуры различной сложности. Для возбуждения и приема спиновых волн использовались микроскопические антенны, изготовленные непосредственно на волноводах. Ученые посылали СВЧ-сигнал на одну из антенн, принимали его на другой и оценивали эффективность возбуждения спиновых волн и их прохождения между различными участками волноводных структур.
Исследователи вывели ряд фундаментальных принципов, связывающих эффективность передачи сигнала с размерами и формой микроволновода и выбором места расположения антенн. Например, уменьшение размеров волноводов может неоднозначным образом влиять на передачу сигналов — как негативно, увеличивая затухание спиновых волн, так и позитивно, способствуя более эффективной передаче сигнала в крестовых структурах. Форма сочленений волноводов также может существенным образом влиять на передачу сигналов.
«В качестве основы для изготовления исследуемых структур мы использовали пленки монокристаллического ЖИГ толщиной порядка одного микрометра. Такой выбор есть компромисс между тем, что, исходя из физических принципов, затухание спиновых волн растет с уменьшением толщины, и тем, что с технологической точки зрения минимально достижимые размеры тем меньше, чем тоньше пленка. В результате нам удалось изготовить и исследовать структуры с минимальными размерами до десяти микрометров. Эти цифры, возможно, не столь впечатляющие, если их сравнивать с современной электроникой, где речь идет уже о нанометрах, но для магноники это значительный шаг вперед. Развитые нами технологии уже сейчас могут служить существенной миниатюризации классических спин-волновых устройств обработки СВЧ-сигналов, и в перспективе их можно интегрировать в базовые технологии спинтроники по конвертации спинового и электрического токов. Кроме того, полученные вместе с американскими коллегами результаты закладывают физико-технологические основы к построению нового класса магнонных устройств для вычислительных систем: голографической памяти, распознавания магнитных образов, специального рода вычислений на основе алгоритмов, по эффективности не уступающих квантовым»,—подводит итог руководитель проекта по гранту РНФ Юрий Филимонов, доктор физико-математических наук, директор СФИРЭ имени В. А. Котельникова РАН и профессор Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.
По материалам статей Spin waves in YIG based magnonic networks: Design and technological aspects; Y. V. Khivintsev, V. K. Sakharov, A. V. Kozhevnikov, G. M. Dudko, Y. A. Filimonov, A. Khitun; журнал Journal of Magnetism and Magnetic Materials, статья выйдет в марте 2022 г. Quantum computing without quantum computers: Database search and data processing using classical wave superposition; Mykhaylo Balynsky, Howard Chiang, David Gutierrez, Alexander Kozhevnikov, Yuri Filimonov, Alexander Khitun; журнал Journal of Applied Physics, октябрь 2021 г.