Ваш смартфон скоро станет в 100 раз чувствительнее благодаря российскому открытию в спинтронике

Антиферромагнетики редко попадают в новости, но зря: в них скрыт быстрый и экономичный способ работать с сигналами на СВЧ-частотах. В новой работе физики показали, что обычный гематит (α-Fe₂O₃) можно превратить в мини-детектор радиоволн на десятки гигагерц, причём без нагрева и громоздких схем. Секрет — в «слегка косом» порядке спинов, который возникает из-за взаимодействия Дзялошинского — Мории . Он делает антиферромагнетик чуть-чуть «ферромагнитным» и позволяет раскачать в нём коллективное движение спинов, заметное даже при комнатной температуре.

Идея проста, если представить электроны крошечными волчками. В обычной электронике мы толкаем электрический заряд, и на этом теряется энергия — детали греются. В спинтронике мы «подталкиваем» не заряд, а направление этих волчков — их спин. Когда спины начинают дружно прецессировать, на границе с металлом они «сбрасывают» часть своего вращательного момента — рождается спиновый ток. Дальше вступает в игру обратный спин-Холловский эффект: в тяжёлом металле с сильным спин-орбитальным взаимодействием (в данном случае в платине) чисто спиновый ток превращается в привычное постоянное напряжение, которое можно измерить щупами.

Авторы собрали простую по меркам лаборатории структуру: монокристалл гематита, выращенный флюс-методом ради минимального числа дефектов и узкой линии резонанса, сверху покрыли сверхтонким, всего 2-нанометровым слоем платины. Образец положили на СВЧ-линию и облучали микроволнами. Постоянным магнитным полем до 5 кЭ (порядка 0,5 Тл) они настраивали резонанс и добивались максимально сильной прецессии спинов — так называемого квазиферромагнитного резонанса. В этот момент на контактных площадках платины появлялось напряжение от обратного спин-Холловского эффекта. Характерный «подписью» того, что сигнал действительно спиновый, стала смена его знака при перевороте направления магнитного поля.

Практический результат впечатляет для кристалла без сложной нанолитографии: частоту «спинового» детектора удалось плавно перестраивать вплоть до ~32 ГГц, просто меняя величину постоянного поля. На частоте 20 ГГц напряжение на выходе росло линейно с подводимой мощностью, а из наклона этой характеристики исследователи оценили чувствительность порядка 10 мкВ/Вт. Этого уже достаточно, чтобы конкурировать с простыми диодными детекторами, а запас для улучшений — огромный: более совершенный рост кристаллов, тонкие многослойные плёнки, уменьшение размеров до микро- и наноуровня обычно повышают добротность резонанса и заметно «подтягивают» чувствительность.

Зачем это всё широкой электронике? Антиферромагнетики не создают внешнего магнитного поля и почти не мешают соседям — можно ставить такие элементы плотными матрицами. Их собственные частоты выше, чем у ферромагнетиков, что удобно для приёма и обработки сигналов в диапазоне СВЧ. А ещё они энергоэффективны: мы работаем со спинами, а не перекачиваем заряд, значит меньше лишнего тепла. Отсюда — очевидные применения: компактные датчики слабых радиосигналов, элементы спиновой логики и памяти, узлы для будущих коммуникаций и даже компоненты гибридных квантовых устройств, где важны быстрые и малошумящие преобразователи.

С научной точки зрения работа ещё ценна тем, что теория и эксперимент сошлись почти под копирку. Модель предсказывает, как с ростом магнитного поля растёт резонансная частота и как должен вести себя выходной сигнал — именно это и увидели на установке. Для области, где долго спорили о тонкостях спин-пампинга в антиферромагнетиках, такое совпадение — сильный аргумент, что мы хорошо понимаем физику процесса и можем уверенно проектировать работающие устройства.

Если коротко: исследователи показали, что «чуть-чуть ферромагнитный» гематит — это не экзотика для учебников, а реальная платформа для СВЧ-детекторов. Уже сейчас она даёт перестраиваемый резонанс до 32 ГГц и чувствительность порядка микровольт на ватт, а дальнейшая доводка материалов и архитектур обещает вывести спиновые приёмники на уровень, интересный радиосвязи следующего поколения и электронике, которой критичны размеры, энергопотребление и помехоустойчивость.