Международный научный коллектив смоделировал 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. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

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 передаётся 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 удаётся получить спиновые волны, например, тонкие ферромагнитные плёнки, не позволяли добиться у волн таких сверхширокополосных свойств.

Сотрудники Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Москва) и Университета Эксетера (Великобритания) смоделировали метаматериал, в котором спиновые волны обладают сверхширокополосными свойствами.

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).

После этого, если подействовать на вещество переменным (то включающимся, то выключающимся) магнитным полем, этот порядок нарушится, и в материале начнёт распространяться волна намагниченности — магнитостатическая спиновая волна, за счёт 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 учётом 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.

«В дальнейшем мы планируем создать реальный образец смоделированного нами метаматериала с использованием не только объёмных, но и тонкоплёночных ферромагнитных образцов. Это даст возможность легко интегрировать его в планарные схемы функциональной электроники. Кроме того, мы хотим разработать метаматериалы для терагерцового диапазона, освоение которого — одна из важнейших задач беспроводных высокоскоростных систем связи», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Гришин, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой электроники, колебаний и волн Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.

Источник: пресс-служба РНФ.