Ваш смартфон станет еще меньше. Физики придумали, как втиснуть громоздкие радиодетали в микромир

Физики из США нашли неожиданную связь между двумя мирами, которые обычно обсуждают по отдельности. Оказалось, что магнитные спиновые волны в специально спроектированном материале могут вести себя почти так же, как электроны в графене. Работа выглядит не как красивая метафора, а как полноценное совпадение на уровне уравнений, а такой результат может пригодиться уже не только теоретикам, но и разработчикам беспроводной связи.

Исследование провела группа из Grainger College of Engineering при Иллинойсском университете в Урбана-Шампейн. Ученые показали, что двумерную магнитную систему можно построить так, чтобы поведение волн намагниченности подчинялось тем же математическим законам, что и движение электронов в двумерном графене. Авторы работы считают, что такой подход поможет улучшить микроволновые технологии для сотовых и беспроводных сетей, а заодно открыть дорогу к новым радиочастотным устройствам и изучению необычных эффектов в двумерных структурах.

Графен давно привлекает исследователей своей электронной природой. Речь идет о слое углерода толщиной в один атом, где атомы выстроены в шестиугольную решетку, похожую на соты. Именно такая геометрия делает материал особенно интересным для физики и электроники. Участник работы Бобби Каман, аспирант из группы профессора Акселя Хоффмана, занимался метаматериалами и обратил внимание на любопытное сходство: электроны в графене и волны намагниченности в магнонных материалах могут проявлять волновое поведение.

Наблюдение подтолкнуло исследователей к простому, но смелому вопросу: можно ли придать магнитной системе форму графена и заставить магнитные волны двигаться по тем же правилам? Каман признается, что сначала рассчитывал увидеть лишь несколько похожих свойств. Реальный результат оказался куда глубже. По словам ученого, аналогия между графеном и магнитной системой сработала настолько хорошо, что удивила даже самих авторов.

Для проверки идеи команда создала магнонный кристалл, то есть магнитный материал с повторяющейся структурой, которая управляет распространением спиновых волн. Основой стала тонкая магнитная пленка с отверстиями, расположенными в шестиугольной решетке. После расчетов выяснилось, что энергия и движение спиновых волн в такой структуре описываются теми же уравнениями, что и электроны в графене.

Находка оказалась еще богаче, чем ожидалось. Модель показала наличие девяти отдельных энергетических зон для спиновых волн. Часть зон вела себя как безмассовые электронные волны в графене. Другие соответствовали локализованным состояниям и даже демонстрировали топологические эффекты. В физике такие эффекты особенно ценят за устойчивую передачу волн, которую трудно нарушить внешними помехами.

Аксель Хоффман отмечает, что работа впервые напрямую связала искусственно созданную спиновую систему с одной из базовых моделей современной физики. Для области магнонных кристаллов такой результат особенно ценен, потому что подобные структуры часто порождают слишком много эффектов, зависящих от геометрии, и далеко не всегда удается понятно объяснить происхождение наблюдаемых явлений. Аналогия с графеном, по словам Хоффмана, как раз дает такой ясный язык.

Практический смысл у открытия тоже есть. Авторы считают, что новая схема пригодится в микроволновых технологиях, которые лежат в основе беспроводных и сотовых сетей. Один из возможных примеров - микроволновый циркулятор, устройство, которое пропускает радиосигнал только в одном направлении. Обычно такие компоненты получаются довольно громоздкими, а исследованная магнонная система в будущем может помочь уменьшить подобные устройства до микрометрового масштаба.

Статья опубликована в журнале Physical Review X.