Работа была проведена в НИЛ «Гетероструктуры для посткремниевой электроники» Института физики КФУ ведущим научным сотрудником Романом Юсуповым, старшими научными сотрудниками Игорем Янилкиным и Амиром Гумаровым. Также в составе научного коллектива — ведущий научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского ФИЦ «КазНЦ РАН», академик Академии наук Республики Татарстан Ленар Тагиров и научный сотрудник НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» Института физики Булат Габбасов.
«Магноника — новая отрасль электроники, в которой информация переносится не носителями заряда — электронами или “дырками”, а магнонами — квантами спиновых волн. Имеющиеся наработки в этой области позволяют утверждать: с помощью магноники удастся построить более энергоэффективные в сравнении с полупроводниковыми микропроцессоры»,— отметил Амир Гумаров.
В ходе исследования учеными были достигнуты две принципиально важные возможности.
«Во-первых, это аккуратное и гибкое управление составом “градиентного” магнитного материала, который оказывает значительное влияние на спектр магнонов. Под “градиентом” подразумевается изменение свойств вдоль определенного направления в пространстве. Во-вторых, моделирование магнитных свойств, которое описывает его спин-волновой спектр с высокой точностью при всех температурах эксперимента»,— сообщил Игорь Янилкин.
Процесс описал Роман Юсупов: использовалась высокоточная технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), для которой характерна наивысшая чистота (то есть отсутствие посторонних примесей и окисления), а также почти идеальная кристаллическая структура получаемых материалов, совершенство их интерфейсов с подложкой. Плюс ко всему, говорит ведущий научный сотрудник КФУ, на эти отличительные свойства накладывается возможность программируемого управления интенсивностями молекулярных пучков для синтеза магнитного материала с непрерывно изменяемым профилем состава.
Публикация посвящена подробному исследованию резонансного спектра ССВ в неоднородных пленках при температуре от 10 до 300 градусов по шкале Кельвина (последнее значение — комнатная температура). Ключевой тезис работы заключается в том, что в градиентной по толщине пленке Pd-Fe в каждом локальном подслое будет своя температура ферромагнитного перехода (температура Кюри), определяемая локальной концентрацией железа в сплаве: где меньше железа, там ниже эта температура. Следовательно, при определенной температуре подслой с меньшей концентрацией железа становится парамагнитным. При дальнейшем увеличении температуры парамагнитная область будет увеличиваться за счет уменьшения толщины ферромагнитной части пленки до тех пор, пока вся пленка не станет парамагнитной. В зависимости от сложности профиля состава по толщине таких областей может быть несколько, они могут появляться при различных температурах, сливаться друг с другом и т. д. Все эти процессы изменения фазового состава сильно влияют на спектр стоячих спиновых волн, которые могут возникать только в ферромагнитной части пленки. Таким образом, спектром ССВ можно эффективно управлять с помощью изменения температуры образца.
Явление сравнимо с управлением тонами струн на гитаре с применением каподастра — специального зажима на грифе, изменяющего длину свободно колеблющегося отрезка струны. Используя свободно перемещаемый каподастр при игре на гавайской гитаре, добиваются непрерывного изменения тонов звучания в широком диапазоне частот.
«До начала исследований мы, конечно, догадывались, что температура должна влиять на спектр ССВ. Однако мы даже не предполагали, что во всем температурном диапазоне результаты наших измерений будут настолько хорошо описываться полуклассическим подходом, основанным на уравнении Ландау—Лифшица.
Это означает, что можно заранее предсказывать спектр стоячих спиновых волн для любого технологически заданного профиля концентрации железа в ферромагнитной пленке сплава Pd-Fe при любой температуре, а значит, температура становится дополнительным инструментом для управления спектром спиновых волн в широком диапазоне»,— подчеркнул Юсупов.
Отметим, что метод МЛЭ впервые был использован физиками Казанского университета в 2022 году в целях создания «градиентных» магнитных материалов. Тогда исследование подтвердило принципиальную возможность управления спектром стоячих обменных спиновых волн.
«Полученные знания и технологии привносят в магнонику новый материал с перестраиваемым спектром магнонов, обладающий свойством невзаимности (большой разницы в свойствах магнонов, распространяющихся в противоположных направлениях), на котором реализуются магнонные диоды и логические вентили»,— пояснил актуальность исследования Ленар Тагиров.
Следующий значительный шаг для развития данного направления, по мнению ученых,— это создание наноструктур из «градиентных» материалов, в которых можно будет индуцировать бегущие спиновые волны, необходимые для передачи и обработки информации. Для создания подобных структур требуется электронная или оптическая литография. Формирование наноструктур планируется осуществить в Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Московского физико-технического института.
