Неизвестная физика феррита кобальта

Химики МГУ обнаружили способность феррита кобальта взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым электромагнитным излучением, и благодаря этому открытию появилась возможность создать генераторы и детекторы терагерцового излучения для промышленного использования. Наибольшего эффекта можно ожидать в телекоммуникационной отрасли
Неизвестная физика феррита кобальта
Студент третьего курса бакалавриата факультета наук о материалах МГУ Мирослав Сошников (слева) и кандидат химических наук, сотрудник химического факультета МГУ Евгений Горбачев
Ю.Чернова

Ученые химического факультета и факультета наук о материалах МГУ обнаружили способность давно известного феррита кобальта взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым электромагнитным излучением. В отличие от более дорогих, сложных в изготовлении современных материалов, использующихся для работы с высокочастотным излучением, феррит кобальта сильно магнитится, из-за чего спиновые токи в нем могут достигать рекордно высоких значений. Появилась возможность создать генераторы и детекторы терагерцового излучения для промышленного использования.

Многие процессы в современном мире зависят от скорости передачи и обработки информации. Поэтому человечество стремится создавать многоядерные процессоры, суперкомпьютеры и т. д.

Существующие стандарты связи ограничены определенной частотой: чем она больше, тем больше информации за единицу времени возможно передать. Например, развивающаяся сейчас технология 6G позволит передавать информацию с частотой до 100 ГГц, что приблизительно в 20 раз сократит время ее получения в сравнении со среднестатистическим домашним вайфаем.

magnifier.png В отличие от более дорогих, сложных в изготовлении современных материалов, использующихся для работы с высокочастотным излучением, феррит кобальта сильно магнитится, из-за чего спиновые токи в нем могут достигать рекордно высоких значений

Со временем человечеству будут необходимы устройства, способные функционировать и при более высоких частотах. Помимо короткого времени загрузки высококачественного видео «быстрая» связь необходима, например, в телемедицине, поскольку от оператора прибора, производящего медицинскую операцию, требуется точность движений скальпеля или лазера с минимальной задержкой сигнала.

«Для использования высокочастотных излучений требуются особые материалы, которые способны их сгенерировать и принять, — рассказывает соавтор публикации Евгений Горбачев, кандидат химических наук, сотрудник химического факультета МГУ. — Именно в этой области мы сейчас и работаем».

Пригодные для эффективного взаимодействия с высокочастотным электромагнитным излучением материалы должны обладать способностью входить с ним в резонанс. Наиболее разумным способом преобразования излучения в аналитический сигнал, например в электрический ток, считается механизм электронного резонанса в веществе. Поэтому крайне перспективно использовать материалы, где возможна высокая скорость вращения электронов. Некоторые из таких веществ давно и хорошо изучены — это ферромагнетики и антиферромагнетики, магнитная структура которых обусловливает особые электронные свойства. Но первые детекторы высокочастотного излучения на их основе были сконструированы всего несколько лет назад.

Использование ферромагнетиков и антиферромагнетиков в промышленности сопряжено с необходимостью прикладывать внешнее магнитное поле, то есть надо найти сверхпроводящий магнит, погрузить его в жидкий гелий и подать большой ток. При этом все манипуляции должны совершаться при очень низких температурах, при этом магнит требуется еще правильно расположить и направить в нужную сторону. «Использовать нечто подобное в каком-нибудь мобильном телефоне уж точно не получится», — отметил Евгений Горбачев.

Еще одна проблема антиферромагнетиков, которая обнаружилась в ходе исследований химиков МГУ, заключается в том, что ток, возбуждаемый в них, очень слабый, поскольку у них низкая магнитная восприимчивость — они плохо притягиваются даже к очень сильным магнитам.

«Изначально наша группа занималась магнитотвердыми материалами, например теми, из которых делают магнитики на холодильник, магниты для моторов, среды для магнитной записи, а также антирадарные устройства. Они сохраняют направление и амплитуду магнитного поля, которое что-то притягивает или отталкивает может вступать в контакт с электромагнитными волнами. Мы подумали, что эти материалы можно как-то приспособить и для других, более инновационных целей, — поясняет Евгений Горбачев. — Если материал — проводник, то он будет отражать излучение, поэтому нам необходимы диэлектрики — как раз наши различные ферриты, например феррит кобальта, известный уже более семидесяти лет. Они и представляют собой магнитотвердые материалы».

Именно феррит кобальта и был выбран исследователями в качестве простого материала, обладающего всеми необходимыми свойствами для того, чтобы проверить его на способность взаимодействовать с высокочастотными излучениями. Хотя его синтез весьма прост, о новой, обнаруженной химиками интересной физике феррита кобальта до их работы никто не знал. Математическая сложность уравнений, которые необходимо решить для описания физики магнитных материалов, напрямую зависит от количества магнитных подрешеток — и здесь феррит кобальта оказался проще родственных соединений, поскольку его структура может быть описана всего двумя частными уравнениями Ландау — Лифшица, а значит, имеет удобное количество решений. «Мы это сделали: написали на бумажке уравнение, по сложности приближенное к математическому анализу на младших курсах, решили его и получили интересную вещь: токи для ферримагнетиков должны быть на несколько порядков выше, чем у антиферромагнетиков, работы по которым сейчас публикуются в научных журналах Nature и Science. Но вопрос еще и в частоте: она ведь тоже нужна большая. И тут пригодились знания в магнетизме: феррит кобальта при низких температурах магнитотвердый, поскольку колоссально увеличивается его магнитная анизотропия, влияющая на частоту электронного резонанса», — поясняет Евгений Горбачев.

magnifier.png Ученые показали, что охлажденный феррит кобальта способен резонансно поглощать частоты до 350 ГГц без приложения внешнего магнитного поля, что на сегодня стало рекордом

Ученые показали, что охлажденный феррит кобальта способен резонансно поглощать частоты до 350 ГГц без приложения внешнего магнитного поля, что на сегодня стало рекордом. Удалось также экспериментально доказать наличие резонансных частот у этого вещества, причем резонанс этот именно электронный, то есть связанный с магнитной подсистемой. Однако такие свойства присущи не только ферриту кобальта: химики МГУ предложили целый класс материалов, которые могут практически использоваться в очень новой (cutting edge) области — терагерцовой спинтронике.

«Для нас эта работа стала неожиданным погружением в электронику и спинтронику. Это действительно важные вещи, и нам хотелось бы, чтобы они нашли скорейшее применение, но современная наука развивается на голову быстрее, чем производство, поэтому мы работаем на будущее: исследуем, анализируем, перебираем и описываем», — подытоживает Мирослав Сошников, студент третьего курса бакалавриата факультета наук о материалах МГУ, один из соавторов статьи.

Evgeny A. Gorbachev, Miroslav V. Soshnikov, Liudmila N. Alyabyeva, Ekaterina S. Kozlyakova, Anastasia S. Fortuna, Asmaa Ahmed, Roman D. Svetogorov, Lev A. Trusov, Sub-terahertz/terahertz electron resonances in hard ferrimagnets, Materials Today, 2023

С публикацией можно ознакомиться здесь .

По материалам пресс-службы МГУ

Еще по теме:
13.02.2024
Ученые из Казанского федерального университета с коллегами из Томского государственного университета показали, что можно...
07.02.2024
Российские ученые разработали биогибридную обонятельную систему. «Компьютерный нос», созданный в НИТЦ нейротехнологий Юж...
05.02.2024
Российские ученые разработали устройство для моделирования процессов перехода воды в пар на Луне. Эти исследования помог...
26.01.2024
Япония стала пятой страной после СССР, США, Китая и Индии, осуществившей мягкую посадку космического аппарата на поверхн...
Наверх