Физики показали эффективность скошенных антиферромагнетиков для спинтроники и магноники

Развитие спинтроники и магноники тесно связано с изучением спиновых эффектов, таких как перенос спина электрона в дополнение к его заряду. Именно эти эффекты дают возможность создавать устройства, которые будут работать быстрее и с меньшим потреблением энергии. Для этого используются магнитоупорядоченные материалы, такие как ферромагнетики или антиферромагнетики. Особый интерес представляют многослойные структуры из магнитных материалов различного типа, поскольку в таких системах может возникать резонансное взаимодействие между материалами с разным магнитным порядком.

В этом исследовании авторы впервые теоретически исследовали двухслойную структуру, состоящую из скошенного антиферромагнетика и ферромагнетика. Новизна работы заключается в использовании скошенного антиферромагнетика, это антиферромагнетик со слабым ферромагнетизмом, где подрешетки намагниченности слегка отклонены от антипараллельной ориентации. Подобных исследований ранее не проводилось. Скошенные антиферромагнетики представляют особый интерес, поскольку из-за своей структуры имеют две резонансные моды: нижняя (в десятках гигагерц) удобна для экспериментов, в отличие от верхней (в сотнях гигагерц). Статья опубликована в журнале «Радиотехника и электроника».

В таких структурах формируется обменное взаимодействие между магнитными моментами слоев, из-за чего возникает предпочтительная ориентация магнитных моментов, направленная в одну сторону. Это приводит к гибридизации мод — взаимодействию резонансных колебаний магнитных моментов между слоями. Это приводит к тому, что частоты этих мод сдвигаются относительно резонансных частот несвязанных слоев. Это свойство может использоваться при разработке сенсоров и генераторов, где необходимо уметь регулировать частотные характеристики.

Результаты теоретического моделирования на параметрах реальных материалов (гематит и пермаллой) показали, что обменное взаимодействие в структуре скошенный антиферромагнетик / ферромагнетик приводит к гибридизации резонансных мод. То есть нижняя мода антиферромагнетика и мода ферромагнетика  «расталкиваются» с образованием щели — области, в которой моды не пересекаются. Ее ширина увеличивается в два-четыре раза с увеличением силы обменного взаимодействия между слоями. Это открывает новые возможности для создания настраиваемых фильтров и сенсоров. Также результаты показали, что гибридизация не затрагивает верхнюю моду скошенного антиферромагнетика (сотни ГГц), в отличие от обычных антиферромагнетиков. Это говорит об отсутствии помех от верхней моды, что позволит сфокусироваться на удобной нижней моде для экспериментов и приложений.

«В целом исследование подобных структур направлено на то, чтобы сделать их основой для генераторов и детекторов гига- и терагерцового излучения, устройств магнитной памяти, работающих на принципах магноники и спинтроники. В частности, в нашей работе показано, что когда частота резонанса в одном слое приближается к резонансной частоте в другом слое, вместо взаимного усиления образуется область в частотном спектре, в которой никакого резонансного возбуждения не происходит. Это можно использовать, например, для фильтрации сигнала», — рассказал Алексей Мещеряков, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники Института квантовых технологий МФТИ.

Результаты этой теоретической работы имеют фундаментальное значение для понимания спин-волновых эффектов, таких как гибридизация мод и наведенная анизотропия. Они открывают путь к контролю магнитных колебаний на наноуровне. Это позволит создавать устройства спинтроники и магноники в 2–5 раз более эффективные по сравнению с традиционными ферромагнитными структурами. Предложенная гетероструктура упрощает проведение экспериментов и их практическое применение за счет использования нижней моды скошенного антиферромагнетика. Все это способствует переходу от зарядной электроники к спиновой, снижая энергопотребление устройств на 50–90% и повышая скорость обработки данных до терагерцового диапазона.

В работе участвовали ученые из Института квантовых технологий МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МЭИ, ВШЭ и Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского.