Иллюстрация эксперимента. На иллюстрации показаны два золотых электрода поверх тонкого магнитного слоя. В середине находится сверхпроводящий электрод. С помощью левого золотого электрода исследователи генерируют в магнитном материале спиновые волны, которые движутся вправо. Наверху электродов находится квадратная алмазная мембрана, которая позволяет исследователям видеть сквозь сверхпроводящий электрод.
Фото: Майкл Борст, Технический университет Делфта.

«Спиновые волны — это волны в магнитном материале, которые мы можем использовать для передачи информации», — объясняет Майкл Борст, руководивший экспериментом. «Поскольку спиновые волны могут стать многообещающим строительным блоком для энергоэффективной замены электроники, ученые уже много лет ищут эффективный способ контроля и манипулирования спиновыми волнами».

Теория предсказывает, что металлические электроды обеспечивают контроль над спиновыми волнами, но до сих пор физики почти не видели подобных эффектов в экспериментах. «Прорыв нашей исследовательской группы заключается в том, что мы показываем, что действительно можем правильно управлять спиновыми волнами, если будем использовать сверхпроводящий электрод », — говорит Тоэно ван дер Сар, доцент кафедры квантовой нанонауки.

Он работает следующим образом: спиновая волна генерирует магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает сверхток в сверхпроводнике. Этот сверхток действует как зеркало для спиновой волны. Сверхпроводящий электрод отражает магнитное поле обратно в спиновую волну. Сверхпроводящее зеркало заставляет спиновые волны двигаться вверх и вниз медленнее, что делает волны легко управляемыми.

Борст говорит: «Когда спиновые волны проходят под сверхпроводящим электродом, оказывается, что их длина волны полностью меняется. И, слегка изменяя температуру электрода, мы можем очень точно настроить величину этого изменения».

«Мы начали с тонкого магнитного слоя железо-иттриевого граната (YIG), известного как лучший магнит на Земле. Поверх него мы положили сверхпроводящий электрод и еще один электрод для индукции спиновых волн. Охладив до -268 градусов, мы привели электрод в сверхпроводящее состояние», — говорит Ван дер Сар.

«Было удивительно видеть, что спиновые волны становились все медленнее и медленнее по мере того, как становилось холоднее. Это дает нам уникальную возможность манипулировать спиновыми волнами; мы можем отклонять их, отражать, заставлять резонировать и многое другое. Но это также дает нам возможность отклонять их, отражать, заставлять резонировать и многое другое новое понимание свойств сверхпроводников».

Исследователи изобразили спиновые волны, измерив их магнитное поле с помощью уникального датчика, что было необходимо для эксперимента. Ван дер Сар говорит: «Мы используем электроны в алмазе в качестве датчиков магнитных полей спиновых волн. Наша лаборатория является пионером в этой технике. Самое интересное в ней то, что мы можем смотреть сквозь непрозрачный сверхпроводник на спиновые волны под ним, просто как МРТ-сканер может заглянуть сквозь кожу в чье-то тело».

«Технология спиновых волн все еще находится в зачаточном состоянии», — говорит Борст. «Например, чтобы создавать энергоэффективные компьютеры с помощью этой технологии, нам сначала нужно начать создавать небольшие схемы для выполнения вычислений. Наше открытие открывает дверь: сверхпроводящие электроды позволяют создавать бесчисленные новые и энергоэффективные спин-волновые схемы».

«Теперь мы можем разрабатывать устройства на основе спиновых волн и сверхпроводников, которые производят мало тепловых и звуковых волн », — добавляет Ван дер Сар. «Подумайте о спинтронной версии частотных фильтров или резонаторов, компонентов, которые можно найти, например, в электронных схемах сотовых телефонов. Или о схемах, которые могут служить транзисторами или соединителями между кубитами в квантовом компьютере».