Физики из Института физико-химических исследований (Япония) и Университета Токио обнаружили, что спиновых волны могут быть эффективными переносчиками спиновых токов, возникая в новом типе материалов — антиферромагнетиках-изоляторах. Находка значительно расширяет спектр веществ, которые могут применяться в спинтронике («электронике на спинах»), в том числе и в квантовых компьютерах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает издание Physics.
Спиновые волны — особый вид колебаний, возникающих в магнитной решетке материалов. В простейшем случае, у ферромагнетиков, все спины направлены в одну сторону. Их можно сравнить с маленькими магнитиками, подвешенными в пространстве. Если один из них по каким-то причинам отклонится, то это повлечет за собой отклонение его соседа и так далее — возникнет волна. В отличие от электрического тока, спиновые волны не требуют перемещения электронов и не рассеиваются из-за низкой электропроводности материала. Это означает, что они могут распространяться даже в изоляторах.
Чаще всего спиновые токи наблюдались в непроводящих ферро- и ферримагнетиках. Однако, это ограниченный класс материалов. В новом исследовании ученые показали, что спиновый ток может возникать в материалах, принадлежащих другому классу — антиферромагнетиков. Спины в них упорядочены несколько сложнее — они чередуют свои направления (условно, «вверх», «вниз», «вверх», «вниз»).
В своих экспериментах японские физики использовали непроводящий антиферромагнитный оксид хрома (Cr2O3), покрытый слоем платины (парамагнетик). С помощью внешнего магнитного поля авторы вынудили спины магнетика прецессировать — вращать свое направление вокруг вектора индукции магнитного поля. Затем в материале создали температурный градиент — это традиционный способ создания спиновых волн в ферромагнетиках с помощью спинового эффекта Зеебека.
В таких двухслойных структурах, в которых магнитный материал контактирует с немагнитным металлом, электроны могут «перепрыгивать» из магнитного слоя, создавая тем самым электрический ток, в котором спины отдельных электронов ориентированы в одну сторону. Это, в свою очередь, провоцирует возникновение другого тока, который течет внутри слоя платины.
Детектировали этот спин-поляризованный ток с помощью электродов, прикрепленных к платиновому слою. Измеренное напряжение зависело одновременно от приложенного магнитного поля и температурного градиента, создававшегося в материале. По словам авторов, это указывает на то, что причиной поляризованного тока в платине были спиновые волны в антиферромагнетике.
Открытие потенциально позволит на два порядка увеличить скорость передачи данных с помощью спиновых волн — частота колебаний полученных волн в 100 раз выше, чем таковая у ферромагнетиков. Ранее для материалов, передающих спиновые волны было найдено необычное применение — оказывается, на их основе можно создавать устройства, распознающие различные паттерны, например, человеческую речь.
Владимир Королёв.