Высокая энергоэффективность: российские учёные создали структуры для новой электроники — магноники

Российские учёные разработали магнитные гетероструктуры для электроники, которая будет работать на новых принципах — в качестве носителя информации в этом случае выступает спиновая волна. Спин — квантовая характеристика частиц. Учёные создали комбинированный материал, в котором можно управлять спином с помощью электрического или магнитного поля. Приборы, созданные на основе этой технологии, будут обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой.
Учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) разработали магнитные гетероструктуры для приборов, которые будут работать на принципах магноники. Такие устройства смогут в будущем заменить традиционную полупроводниковую электронику. Об этом RT сообщили в пресс-службе Минобрнауки России. Результаты исследования опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Как отметили авторы работы, современная полупроводниковая электроника имеет существенные ограничения: низкую скорость обработки информации, высокое энергопотребление, а кроме того, такие устройства способны перегреваться и выходить из строя из-за высокой нагрузки. Поэтому учёные во всём мире ищут альтернативные подходы к хранению, обработке и передаче информации. Важным направлением является магноника, или спиновая электроника: здесь данные передаются не электронами, а спиновыми волнами.
Спин — квантовая характеристика частиц, которая определяет направление вращения электронов и меняется под воздействием магнитного поля. Спиновые волны не нагревают приборы — соответственно, такая техника будет более энергоэкономичной и надёжной. Так, магноника открывает новые возможности для разработки биомедицинских датчиков с повышенной чувствительностью, точностью и безопасностью, энергоэффективных беспроводных коммуникационных систем и сенсорных сетей, для усовершенствования антенн и так далее. Чтобы реализовать всё это на практике, важно подобрать оптимальный волновод — то есть материал, в котором будет распространяться спиновая волна, а также способы управления ею.
Авторы исследования разработали волновод в виде магнитной гетероструктуры, которая состоит из двух магнонных кристаллов, разделённых слоем диэлектрика. Магнонные кристаллы — это магнитные материалы с периодически изменяемым магнитным параметром, который влияет на спиновые волны.
Саратовские физики применили в этом качестве ферритовые плёнки из железо-иттриевого граната толщиной 100 нанометров. На их поверхность методом магнетронного распыления был нанесён слой полупроводникового материала кремния. Для возбуждения и приёма спиновых волн и для приложения напряжения к полупроводнику на поверхности структур были сформированы антенны и контактные площадки из золота.
«Сам волновод, а также периодическая структура на его поверхности (в виде канавок или изменения ширины волновода) создаются методами оптической и электронной литографии», — рассказала RT профессор кафедры нелинейной физики Института физики СГУ, руководитель проекта РНФ «Наноразмерные многофункциональные устройства магнонной логики и резервуарных вычислений на спиновых волнах в периодических магнитных гетероструктурах» Мария Морозова.
Учёные испытали разработку в лабораторных условиях и выяснили, что полученная структура позволяет выделять узкие частотные диапазоны сигнала и управлять ими как с помощью электрического, так и магнитного поля.
«Этот эффект открывает возможность использования многослойных магнитных структур для создания частотно-селективных устройств и устройств пространственного демультиплексирования (разделение принимаемого потока. — RT) сигнала в СВЧ-диапазоне. Магнонные устройства на основе этих структур будут отличаться наноразмерными масштабами, низким энергопотреблением и тепловыделением, а также будут совместимы с полупроводниковой электроникой. Кроме того, такими приборами будет легче управлять — с помощью влияния магнитного и электрического поля», — отметила Мария Морозова.