Первая электрическая цепь с магнитным изолятором, использующая спиновые волны

Исследователи из Университета Гронингена, Утрехтского университета, Université de Bretagne Occidentale и FOM Foundation обнаружили, что можно сделать электрическую цепь с магнитным изолятором. Ранее это считалось невозможным. Схема реализуется с помощью спиновых волн – волнообразных возмущений магнитных свойств материала. Их открытие будет интересно для развития новых энергосберегающих электронных устройств, в частности, интегральных схем. Устройство, основанное на спиновых волнах, теоретически может работать более эффективно, чем обычные электронные схемы.

В современном электронном оборудовании данные передаются с помощью движения электронов. В этой схеме для передачи сигнала используется заряд электрона. В магнитном изоляторе вместо заряда используются спиновые волны. Спиновая волна вызывается возмущением направления локальной намагниченности в магнитном материале. Такое возмущение вызывается электроном с противоположным по отношению к намагниченности спином. Спиновые волны передают эти возмущения в материале. Исследование впервые продемонстрировало, что можно передавать электрические сигналы в изолирующем материале.

До сих пор электрические схемы, основанные на спиновых волнах, не были реализованы, так как казалось невозможным вызвать достаточно большое возмущение в системе, чтобы создать спиновые волны. Проф. Барт ван Вииз (Bart van Wees) и его аспирант Лудо Корнелиссен (Ludo Cornelissen), оба из Университета Гронингена, и д-р Ремберт Дуйне (Rembert Duine) из Утрехтского университета достигли успеха в использовании спиновых волн в электрической цепи с помощью тщательного проектирования геометрии устройства. Это позволило им использовать спиновые волны, которые уже присутствуют в материале в результате тепловых флуктуаций, что требует гораздо меньшего возмущения системы и, следовательно, позволяет использовать спиновые волны в электрической цепи.

Схема со спиновой волной, которую построили исследователи, состоит из тонкого слоя иттрия железа граната (минерала и магнитного изолятора, сокращенно YIG) толщиной 200 нм и проводящей платиновой полоски на верхних частях с обеих сторон. Электрон может двигаться через платину, но не в YIG, поскольку слой является диэлектриком. Однако если электрон наталкивается на границу раздела между YIG и платиной, он воздействует на намагничивание на поверхности YIG и передает спин. Это вызывает локальное возмущение направление намагничивания, генерирующее спиновую волну в YIG.

Спиновые волны, которые исследователи посылают в YIG, обнаруживаются платиновой полоской на другой стороне YIG. Процесс обнаружения точно противоположен инжекции спиновых волн: спиновая волна сталкивается с границей между YIG и платиной и передает свой спин электрону в платине. Это влияет на движение электрона, в результате чего появляется электрический ток, который исследователи могут измерять.

Исследователи уже изучали сочетание платины и YIG в предыдущих исследованиях. В этих исследованиях было обнаружено, что когда спин передается из платины в YIG, это также влечет передачу тепла через границу раздела. Это позволяет нагревать или охлаждать границу платина-YIG в зависимости от относительной ориентации спинов электронов в платине и намагниченности в YIG.