Кристаллическая структура, магнитный резонанс и устройство.
a Кристаллические структуры YFeO3[010], в которых ближайшие соседние ионы Fe связаны антиферромагнитно вдоль легкой оси ([100] ось а), а моменты слегка наклонены вдоль оси с, что дает результирующую слабую направленную намагниченность параллельно оси с. Стрелки в структуре указывают направление спинов ионов Fe.
b Резонансная частота как функция магнитного поля по оси а (открытый символ) и оси с (закрытый символ) для двух разных температур: 20 К (синий цвет) и 150 К (красный цвет). Параметры модели для подгонки: μ 0 H E = 635T, μ 0 H a = 0,19T, μ 0 H b = 0,7 и μ 0 H DMI.=12Т. Линия g = 2 показывает частоту потенциального ложного парамагнитного резонанса.
c Ширина линии как функция частоты для конфигурации H вдоль оси c при 20 K и 150 K. Незакрашенные и закрытые символы соответствуют данным, полученным отдельно после удаления и повторного введения образца для проверки воспроизводимости. Сплошные сплошные и пунктирные линии представляют собой теоретическую аппроксимацию с использованием модели Финка, которая дает коэффициенты затухания 3,5 ± 0,4 × 10–6 и 3,4 ± 0,3 × 10–6 для двух наборов данных при 20 K и 6,2 ± 0,3 × 10–6 и 4,6 ± 0,5 × 10–6 для 150 К. Извлеченные параметры из (б), µ 0 H E , µ 0 H a , µ 0 H bи μ 0 H DMI используются в этой модели.
d СЭМ-изображение типичного устройства, в котором ток заряда проходит по среднему проводу, а нелокальные напряжения измеряются в обоих проводах слева и справа от него. Свяжем ортогональные координаты с кристаллографическими осями: x ǁ a, y ǁ c, z ǁ b.
Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33520-5

Меньше, быстрее, мощнее: требования к микроэлектронным устройствам высоки и постоянно растут. Однако, если чипы, процессоры и т.п. основаны на электричестве, существуют пределы миниатюризации. Поэтому физики работают над альтернативными способами передачи информации, такими как, например, квантованные спиновые волны, также называемые магнонами.

Преимущество заключается в том, что они имеют очень небольшие потери энергии и поэтому могут распространяться на большие расстояния. Однако спиновые волны не образуются в любом материале, для этого им нужны определенные свойства. Этими свойствами обладает, например, гематит, основной компонент ржавчины.

Новый класс материалов для переноса спиновых волн

В рамках проекта ЕС совместно с Университетом Париж-Сакле, Шанхайским университетом и Университетом Гренобль-Альп физики Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) смогли разработать совершенно новый класс материалов для переноса спиновых волн: антиферромагнетики с наклонными магнитными моментами.

«Эти материалы могут значительно увеличить скорость вычислений по сравнению с существующими устройствами и в то же время значительно сократить отработанное тепло », — сказал Феликс Фурманн из Университета Майнца. В антиферромагнетиках спиновые волны и, следовательно, хранящаяся в них информация могут переноситься на большие расстояния — возможно расстояние около 500 нанометров.

Это может показаться не таким уж большим, но современные транзисторы в микросхемах обычно имеют размер всего около семи нанометров, поэтому диапазон спиновых волн значительно превышает требуемое расстояние. «Перенос информации на большие расстояния имеет решающее значение для применения в микроэлектронных устройствах. В случае с антиферромагнетиками мы нашли класс материалов, который обладает этим важным свойством, и, таким образом, открывает большой пул материалов, которые можно использовать для устройств», — сказал он. Фурманн.

Внешнее магнитное поле как активатор

Ученые исследовали скошенный антиферромагнетик из оксида иттрия-железа YFeO₃. Поскольку его кристаллическая структура коренным образом отличается от структуры известного гематита, исследователи сначала задались вопросом, могут ли все еще формироваться и распространяться спиновые волны, и выяснили, что определенно могут.

Это возможно благодаря небольшому трюку: физики прикладывают к материалу внешнее магнитное поле . «Магноны — это коллективное возбуждение магнитных моментов в магнитоупорядоченном кристалле. Поэтому ими можно управлять с помощью магнитных полей, как мы смогли успешно продемонстрировать», — сказал Фурманн.