Ток (I) через электрод инжектора генерирует магноны в тонком слое ЖИГ. Они текут к электроду детектора, где создают электрическое напряжение (В). Предоставлено: Университет Гронингена / Xiangyang Wei

Электроны обладают магнитным моментом, называемым спином, который имеет значение «вверх» или «вниз». Можно накопить один вид спина, пропуская ток через тяжелый металл .например, платина. Когда эти спины, переносимые электронами, сталкиваются с магнитным изолятором ЖИГ (железо-иттриевый гранат), электроны не могут пройти через него. Однако на границе с ЖИГ происходит передача спинового возбуждения: возбуждаются магноны (которые также могут нести спин). Эти спиновые волны проходят через магнитный изолятор подобно волнам на стадионе: ни один из электронов («зрителей») не сдвинется со своего места, но они тем не менее передают спиновое возбуждение. На электроде-детекторе происходит обратный процесс: магноны создают электронные вращения, которые затем производят электрическое напряжение и его можно измерить, объясняет Барт ван Вис, профессор прикладной физики Гронингенского университета и специалист в таких областях, как спинтроника.

Вдохновленная увеличением подвижности электронов в двумерных материалах, его группа решила проверить транспорт магнонов в ультратонких (нанометрах) пленках ЖИГ. «Эти пленки не являются строго двумерными материалами, но когда они достаточно тонкие, магноны могут двигаться только в двух измерениях», — объясняет Ван Вис. Измерения, выполненные к.т.н. студент Xiangyang Wei получил неожиданный результат: спиновая проводимость увеличилась на три порядка по сравнению с объемным материалом ЖИГ.

Драматические эффекты

Ученые не легкомысленно относятся к таким терминам, как «гигант», но в данном случае это было полностью оправдано, говорит Ван Вис. «Мы сделали материал в 100 раз тоньше, а магнонная проводимость увеличилась в 1000 раз. И это произошло не при низких температурах, как это требуется для высокой подвижности электронов в 2D-проводниках, а при комнатной температуре». Этот результат был неожиданным и до сих пор необъяснимым. Ван Вис: «В нашей статье мы даем предварительное теоретическое объяснение, основанное на переходе от трехмерного к двумерному переносу магнонов. Но оно не может полностью объяснить наблюдаемые нами драматические эффекты».

Так что же можно сделать с этой гигантской магнонной проводимостью? «Мы этого не понимаем, — говорит Ван Вис. «Поэтому наши текущие претензии ограничены. Это позволяет проводить исследования, которые могут указать путь к какой-то новой, еще не открытой физике. В долгосрочной перспективе это также может привести к созданию новых устройств». Первый автор Xiangyang Wei добавляет: «Поскольку не задействован перенос электронов, магнонные волны не производят обычного рассеивания тепла. А выделение тепла является большой проблемой для электронных устройств все меньшего размера».

Сверхпроводимость

А поскольку магноны — это бозоны (т. е. они имеют целочисленные квантовые значения спина), может оказаться возможным создать когерентное состояние, сравнимое с конденсатом Бозе-Эйнштейна. Ван Вис: «Это может даже вызвать спиновую сверхпроводимость». Все это на будущее. На данный момент гигантская магнонная проводимость в ЖИГ хорошо задокументирована. «Измерения ясны. Мы надеемся на хорошее сотрудничество физиков-теоретиков и экспериментаторов».