7 March 2023, 18:00

Предложен новый материал для сверхбыстрой терагерцевой связи

Ученые химического факультета и факультета наук о материалах МГУ с коллегами обнаружили способность давно известного феррита кобальта взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым электромагнитным излучением. В отличие от более дорогих и сложных в изготовлении современных материалов, использующихся для работы с высокочастотным излучением, феррит кобальта сильно магнитится, из-за чего спиновые токи в нем могут достигать рекордно высоких значений. Так появилась возможность создать генераторы и детекторы терагерцового излучения для промышленного использования.

Предложен новый материал для сверхбыстрой терагерцевой связи
Source: Юлия Чернова / Пресс-служба химического факультета МГУ
<p>Существующие стандарты связи ограничены определенной частотой: чем она больше, тем больше информации за единицу времени возможно передать. Например, развивающаяся сейчас технология 6G позволит передавать информацию с частотой до 100 ГГц, что приблизительно в 20 раз сократит время ее получения в сравнении со среднестатистическим домашним Wi-Fi. Со временем человечеству необходимы будут устройства, способные функционировать и при более высоких частотах, соответственно, нужны и материалы, способные сгенерировать и принять такие излучения, а также они должны обладать способностью входить с ними в резонанс. Наиболее разумным способом преобразования излучения в аналитический сигнал, например, в электрический ток, считается механизм электронного резонанса в веществе. Поэтому крайне перспективно необходимо использовать материалы, где возможна высокая скорость вращения электронов. Примеры таких веществ давно и хорошо изучены — это ферромагнетики и антиферромагнетики, магнитная структура которых обуславливает особые электронные свойства, но первые детекторы высокочастотного излучения на их основе были сконструированы всего несколько лет назад.<p>Использование ферромагнетиков и антиферромагнетиков в промышленности сопряжено с необходимостью прикладывать внешнее магнитное поле, то есть надо найти сверхпроводящий магнит, погрузить его в жидкий гелий и подать большой ток. При этом все манипуляции должны совершаться при очень низких температурах, а магнит требуется еще правильно расположить и направить в нужную сторону.<p>Еще одна проблема антиферромагнетиков, которая обнаружилась в ходе исследований химиков МГУ, заключается в том, что ток, возбуждаемый в них, очень слабый, поскольку у них низкая магнитная восприимчивость, то есть они плохо притягиваются даже к очень сильным магнитам.

«Изначально наша группа занималась магнитотвердыми материалами — например, теми, из которых делают магнитики на холодильник, магниты для моторов, среды для магнитной записи, а также антирадарные устройства. Они сохраняют направление и амплитуду магнитного поля, которое что-то притягивает или отталкивает и может вступать в контакт с электромагнитными волнами. Мы подумали, что эти материалы можно как-то приспособить и для других, более инновационных целей, — пояснил Евгений Горбачев, к.х.н., сотрудник химического факультета МГУ. — Если материал — проводник, то он будет отражать излучение, поэтому нам необходимы диэлектрики — как раз различные ферриты, например феррит кобальта, известный уже более семидесяти лет. Они и представляют собой магнитотвердые материалы».

<p>Именно феррит кобальта и был выбран исследователями в качестве простого материала, обладающего всеми необходимыми свойствами и взаимодействующего с высокочастотными излучениями. Хоть его синтез прост, но про новую, обнаруженную химиками интересную физику феррита кобальта ранее никто не знал. Математическая сложность уравнений, которые необходимо решить для описания физики магнитных материалов, напрямую зависит от количества магнитных подрешеток — и здесь феррит кобальта оказался проще родственных соединений, поскольку его структура может быть описана всего двумя частными уравнениями Ландау-Лифшица, а значит, имеет удобное количество решений. Авторы провели расчеты и выяснили, что токи для ферримагнетиков должны быть на несколько порядков выше, чем у антиферромагнетиков.

«Но вопрос еще и в величине частоты: она ведь тоже нужна большая. И тут пригодились знания в магнетизме: феррит кобальта при низких температурах магнитотвердый, поскольку колоссально увеличивается его магнитная анизотропия, влияющая на частоту электронного резонанса», — пояснил Евгений Горбачев.

<p>Ученые показали, что охлажденный феррит кобальта способен резонансно поглощать частоты до 350 ГГц без приложения внешнего магнитного поля, что на сегодня стало рекордом. Также удалось экспериментально доказать наличие резонансных частот у этого вещества, причем резонанс этот именно электронный, то есть связанный с магнитной подсистемой. Однако такие свойства присущи не только ферриту кобальта: химики МГУ предложили целый класс материалов, которые могут практически использоваться в достаточно молодом направлении — терагерцовой спинтронике.

«Для нас эта работа стала неожиданным погружением в электронику и спинтронику. Это действительно важные вещи, и нам хотелось бы, чтобы они нашли скорейшее применение, но современная наука развивается на голову быстрее, чем производство, поэтому мы работаем на будущее: исследуем, анализируем, перебираем и описываем», — подытожил Мирослав Сошников, студент третьего курса бакалавриата факультета наук о материалах МГУ, соавтор статьи.

News article profiles

News article publications

Read also

Исследованы свойства нового ферромагнетика
Команда физиков из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ исследовала электронные и магнитные свойства нового соединения Fe2C. Рассчитанные значения обменных взаимодействий и температуры магнитного перехода этого вещества указывают на наличие у этого материала ряда особых свойств. Теоретическое исследование показывает актуальность синтеза указанного вещества, ставя новые задачи перед экспериментаторами и инженерами.
Materials Science
Spintronics
Synthesis
31 January 2024
Разработка спинового вентиля из антиферромагнетика
Французский физик Луи Неель, получивший Нобелевскую премию за работы по антиферромагнетикам, был уверен, что эти материалы не найдут практического применения. Неужели возможно как-то управлять общей намагниченностью материала, состоящего из множества мелких областей, магнитные моменты в которых направлены антипараллельно друг другу? Тем не менее ученые из МФТИ совместно с коллегами из Норвегии и Испании нашли способ применить антиферромагнитные изоляторы для создания спинового вентиля — элемента, применяемого в микроэлектронике и спинтронике.
Electrophysics
Microelectronics
Spintronics
Superconductivity
21 January 2024
Квантовую запутанность предложили генерировать в сверхпроводнике
Описанный эффект интересен для фундаментальной науки, поскольку позволяет управлять квантовыми состояниями заряженных частиц с помощью небольших вариаций магнитного поля
Materials Science
Quantum Physics
Superconductivity
5 July 2023
Предложен новый способ соединения комплексов металлов в периодическую решетку
Магнитные свойства таких материалов можно настраивать и тем самым, например, кодировать информацию, что полезно в разработке устройств памяти с большей емкостью
Materials Science
Organometallic chemistry
Spintronics
29 June 2023
Сверхтонкий магнит связал графен с кремниевой технологией
Новый материал представляет собой сэндвич из графена и субмонослойной магнитной пленки на кремнии. Такое «соседство» с европием привносит в графен новые свойства, связанные с магнетизмом
Magnetism
Materials Science
New techniques
Spintronics
19 April 2023
Физики описали механизм взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма
Обычно эти два явления антагонистичны и ухудшают характеристики друг друга, однако авторы смогли наблюдать их взаимоусиление
Electronics
Magnetism
Materials Science
Superconductivity
17 April 2023