Российские ученые с коллегами из Великобритании смоделировали метаматериал на основе ферромагнитных структур, способный работать в микроволновом сверхшироком — до 30 гигагерц — диапазоне частот. Раньше работа в такой широкой полосе частот была недоступна.
Предложенная структура позволит создавать более эффективные устройства для беспроводной связи, радиолокационных систем и нейроморфных процессоров. Разработка особенно важна для будущих стандартов связи, таких как 6G, где требуются высокоскоростные и энергоэффективные технологии, уточнили в пресс-службе Российского научного фонда.
Данные между большинством существующих приборов передаются благодаря переносу зарядов — току электронов. Однако движение этих частиц вызывает нагрев и потери энергии из-за сопротивления, а также ограничивает миниатюризацию устройств. Поэтому хорошей альтернативой электроники считается спинтроника — технология, при которой информация передается с помощью спиновых волн или спиновых токов.
Спиновая волна — это коллективные колебания магнитных моментов спинов электронов, которые возникают в материале под действием внешнего магнитного поля. Этот процесс не сопровождается перемещением заряда, что снижает энергопотребление и тепловые потери. Благодаря этому спиновые волны потенциально могут быть востребованы при создании сверхширокополосных устройств, с помощью которых можно передавать и обрабатывать информацию с высокой скоростью и минимальными энергопотерями.
Это особенно важно для приборов сверхбыстрой беспроводной связи (6G и выше), нейроморфных процессоров и квантовых технологий. Однако до сих пор существующие материалы, в которых удается получить спиновые волны, например, тонкие ферромагнитные пленки, не позволяли добиться у волн таких сверхширокополосных свойств.
За основу авторы предложили взять ферромагнитную матрицу — слой вещества, который в отсутствие внешнего постоянного магнитного поля обладает собственной намагниченностью. При этом намагниченность в материале создается нескомпенсированными магнитными моментами спинов. Под действием внешнего постоянного магнитного поля спины выстраиваются в одном направлении (по направлению поля). Благодаря этому в материале появляется «магнитный порядок», в результате которого намагниченность вещества достигает своего максимального значения (насыщается).
Если подействовать на вещество переменным (то включающимся, то выключающимся) магнитным полем, этот порядок нарушится, и в материале начнет распространяться волна намагниченности — магнитостатическая спиновая волна, за счет которой как раз и можно передавать информацию.
При этом такие волны, в отличие от электромагнитных и акустических волн, могут перестраиваться по частоте от 1 гигагерца до 30 гигагерц при изменении напряженности внешнего постоянного магнитного поля. Однако с увеличением частоты полосовые свойства этих волн резко уменьшаются вплоть до нескольких десятков мегагерц.
Чтобы улучшить полосовые свойства спиновых волн, исследователи решили ввести в ферромагнитную матрицу тонкие металлические проволоки, окруженные изоляционным слоем. Моделирование показало, что такая структура сильно влияет на полосовые свойства спиновых волн, расширяя их до 2–30 гигагерц.
Для моделирования сверхширокополосных свойств исследуемого метаматериала авторы использовали новый программный продукт MaxLLG, разработанный британскими коллегами. В отличие от всех известных на сегодняшний день аналогов, он позволяет моделировать характеристики магнетиков с учетом различного вида металлических включений.
Поэтому с его помощью в дальнейшем можно будет проектировать материалы, в которых вместо ферромагнетиков используется другой магнитоупорядоченный материал — антиферромагнетик. Это позволит перенести рабочий диапазон частот спиновых волн из микроволнового диапазона в терагерцовый. Он интересен для беспроводных широкополосных высокоскоростных систем связи и, в частности, для будущего поколения мобильной связи 6G.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
