Fisici russi ed europei hanno dimostrato la reale possibilità di utilizzare sistemi superconduttori/ferromagneti per creare cristalli magnonici, che sarà al centro dei dispositivi spin-wave che verranno nell'era dell'elettronica post-silicio. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Scienze avanzate .

Magnonics indaga le possibilità di utilizzare le onde di spin per trasmettere ed elaborare le informazioni. Mentre la fotonica si occupa di fotoni e onde elettromagnetiche, il focus della magnonica è sulle onde di spin, o magnon, che sono oscillazioni armoniche dell'orientamento dei momenti magnetici. Nei materiali ferromagnetici, i momenti magnetici degli elettroni, cioè., i loro giri, sono allineati in un campo magnetico. Le onde di allineamento di spin osservate in un sistema magnetico sono chiamate onde di spin.

La magnonica è vista come un'area di ricerca promettente nell'elettronica post-onda di silicio, poiché le onde di spin hanno una serie di vantaggi rispetto, dire, fotoni a microonde. Ad esempio, le onde di spin possono essere controllate da un campo magnetico esterno. microonde, che sono essenzialmente onde elettromagnetiche, avere una lunghezza d'onda media di un centimetro, mentre le onde di spin nella stessa gamma di frequenze delle microonde hanno lunghezze d'onda di micrometri. Questo è il motivo per cui queste onde controllabili possono essere utilizzate per costruire microdispositivi molto compatti per segnali a microonde.

I cristalli magnonici sono i sistemi fondamentali (a volte indicati come i mattoni) necessari per costruire un dispositivo che funzioni utilizzando segnali di onde di spin. Questi cristalli hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni e saranno al centro dei filtri di frequenza, accoppiatori a reticolo, guide d'onda, e dispositivi magnonici, che sono analoghi dei transistor.

Gli autori di questo studio hanno testato la loro ipotesi di base, che era la seguente:è possibile creare un cristallo magnonico utilizzando un sistema ibrido ferromagnete/superconduttore? Ferromagnetismo e superconduttività sono due fenomeni antagonisti. In un superconduttore, gli spin degli elettroni legati in una coppia di Cooper sono orientati in direzioni opposte, mentre nei ferromagneti, tendono ad allinearsi nella stessa direzione. Gli scienziati hanno tradizionalmente cercato di influenzare le proprietà superconduttive con il ferromagnetismo.

"Gli ultimi due anni, abbiamo avuto successo ottenendo il contrario. Primo, esaminiamo i sistemi ferromagnetici e vediamo se le loro proprietà ferromagnetiche possono essere in qualche modo modificate usando i superconduttori. Per questo ha suscitato l'interesse mondiale, " spiega il dottor Igor Golovchanskiy, coautore dello studio e ricercatore presso il Laboratorio di fenomeni quantistici topologici nei sistemi superconduttori del MIPT. "Inizialmente, la magnonica includeva solo indagini a temperatura ambiente. Perciò, ibridazione di ferromagneti con superconduttori, che non esistono a temperatura ambiente, era fuori discussione. Oltretutto, il ferromagnetismo è stato tradizionalmente considerato "più forte" della superconduttività e, quindi, non può esserne influenzato. Il nostro laboratorio studia sistemi criogenici, e ci siamo posti l'obiettivo di osservare come si comportano i sistemi magnonici a temperature criogeniche quando sono costretti a interagire con i superconduttori".

Il risultato principale di questa ricerca è che gli scienziati hanno dimostrato che è possibile lavorare con i cristalli magnonici utilizzando il sistema ibrido superconduttore/ferromagnete. Gli scienziati hanno anche osservato una peculiare struttura a bande magnoniche nella loro architettura caratterizzata dalla presenza di bande proibite nella gamma di frequenze dei gigahertz.

La ricerca è stata condotta in tre fasi:un campione è stato fabbricato e misurato, e poi sono state eseguite le simulazioni. Il sistema consisteva in una struttura regolare di niobio superconduttore (Nb) posta sopra un film sottile di permalloy (Py) ferromagnetico Ni80Fe20.

Il sistema è stato posto in un criostato, ed è stato misurato il coefficiente di trasmissione del segnale a microonde. Se il valore fosse uguale alle frequenze fondamentali del sistema, è stato osservato un assorbimento di risonanza. Questa è chiamata risonanza ferromagnetica. Lo spettro ottenuto ha mostrato due righe, indicando che la struttura periodica consisteva in due aree legate con condizioni di risonanza ferromagnetica alternate. Le proprietà ferromagnetiche sono state modulate mediante la struttura superconduttiva.

Durante la terza fase, sono state eseguite "simulazioni micromagnetiche". Ciò ha aiutato i ricercatori a ricreare la struttura della fascia magnonica, che è formato da bande consentite e vietate di diversa geometria.

Il processo tecnologico di sviluppo di componenti microelettronici a base di silicio sta raggiungendo il limite teorico delle dimensioni disponibili. Di conseguenza, un ulteriore aumento della capacità di calcolo, e quindi la continua miniaturizzazione dei componenti, richiede nuovi approcci. A questo proposito, i sistemi superconduttori/ferromagneti studiati offrono buone prospettive per l'elettronica delle onde, poiché le dimensioni critiche per i materiali superconduttori sono inferiori a un micrometro. Perciò, è possibile realizzare elementi superconduttori molto piccoli.

Gli autori dello studio ritengono che i risultati della loro ricerca troveranno impiego nell'elettronica a microonde e nella magnonica, compreso il campo della magnonica quantistica. Però, la gamma di potenziali applicazioni è ancora limitata in quanto il sistema non può sopravvivere a temperatura ambiente.

Lo studio riportato in questa storia è uno sforzo combinato di ricercatori di una serie di istituzioni:il Laboratorio dei fenomeni quantistici topologici nei sistemi superconduttori del MIPT, l'Università Nazionale della Scienza e della Tecnologia (MISIS), l'Istituto di Fisica dello Stato Solido dell'Accademia Russa delle Scienze, National Research Nuclear University MEPhI, Università Federale di Kazan, la Scuola Superiore di Economia, Istituto di tecnologia di Karlsruhe (Germania), l'Istituto MESA+ per le nanotecnologie, e l'Università di Twente (Paesi Bassi).