Счет на спиновых волнах

Современные электронные устройства обрабатывают информацию благодаря перемещению электрических зарядов (тока). Они практически достигли предела производительности и миниатюризации, поэтому ученые стремятся создать приборы, в которых носителем информации будут служить не электроны, а спиновые волны. Это синхронные колебания «магнитных стрелок» атомов в материале, которые могут распространяться без выделения тепла и благодаря этому энергоэффективно передавать данные. Однако генерировать такие волны до сих пор было сложно — для этого использовались довольно крупные по размеру микрометровые антенны. Управлять параметрами получаемых волн тоже было затруднительно. Поэтому ученые искали новый простой, универсальный и управляемый источник спиновых волн.

Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), подействовали на магнитный материал лазером, который запустил сверхкороткий звуковой импульс, испускавший, в свою очередь, спиновые волны. Предложенный подход гораздо проще аналогов, поэтому он ускорит разработку энергоэффективных и высокоскоростных вычислительных устройств, в которых для обработки информации используются волны намагниченности, а не электрический ток.

Исследователи выяснили, что генерировать ультракороткие спиновые волны можно с помощью эффекта Вавилова — Черенкова (излучение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде).

По такому же принципу, что и эффект Вавилова — Черенкова образуется ударная волна, когда самолет переходит на сверхзвуковую скорость. «Воздушное судно на любой скорости служит источником звуковых волн, поэтому мы слышим шум от его двигателей. Когда самолет начинает двигаться быстрее скорости звука, получается так, что звуковые волны сливаются позади него в один мощный фронт, называемый ударной волной. В результате человек слышит оглушительный хлопок. Таким образом, эффект Вавилова — Черенкова возникает, когда источник волн двигается быстрее, чем распространяется сама волна», — рассказывает участник проекта Ярослав Филатов, младший научный сотрудник лаборатории физики ферроиков ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.

Автор исследования Ярослав Филатов возле экспериментальной установки в лаборатории физики ферроиков ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН

Ярослав Филатов

Такой эффект для магнитных материалов ранее не был известен, потому что не существовало подходящего источника спиновых волн, который мог бы двигаться через магнитный материал с нужной скоростью.

Авторы провели эксперимент с магнитным материалом феррит-гранатом, на который нанесли тонкий слой золота. Такое покрытие служило преобразователем: когда его облучили сверхкоротким лазерным импульсом (длительностью в десяток квадриллионных долей секунды), в нем возник короткий звуковой импульс. Он прошел вглубь магнитного материала и привел к излучению спиновых волн. Таким образом, исследователи получили эффект Вавилова — Черенкова для спиновых волн: движущийся источник (звуковой импульс), опережая колебания магнитных моментов в материале, сгенерировал спиновые волны строго определенной длины.

При этом, меняя силу внешнего магнитного поля, физики смогли управлять частотой получаемых волн, то есть «настраивать» их. Компьютерное моделирование подтвердило результаты эксперимента, показав, как за бегущим звуковым «пучком» следует шлейф из волн намагниченности.

«В дальнейшем мы планируем использовать эффект Вавилова — Черенкова для спиновых волн в многослойных магнитных микро- и наноструктурах, где взаимную ориентацию намагниченности отдельных слоев можно контролировать внешним магнитным полем. В таком случае мы сможем создать вентильный затвор для спиновых волн, в котором спиновая волна потенциально сможет воздействовать на намагниченность отдельного слоя. Такое устройство в перспективе будет реализовывать концепцию “вычислений в памяти” и выступать в роли базового функционального элемента вычислительной магноники — развиваемого в нашей лаборатории направления, которое может дополнить вычислительную электронику или прийти ей на замену в некоторых задачах», — подводит итог Ярослав Филатов.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nature Physics.