Физики обнаружили, что в системах из сверхпроводящих и ферромагнитных материалов волна коллективных колебаний спинов электронов существенно меняет скорость. Результаты работы опубликованы на страницах журнала Advanced Functional Materials.

У многих элементарных частиц, например электронов, есть квантовая характеристика под названием спин — собственный магнитный момент, который зависит от положения частицы в пространстве. Благодаря так называемому обменному взаимодействию в некоторых материалах спины электронов коллективно ориентируются в одном направлении. В ферромагнетиках и ферримагнетиках это приводит к возникновению спонтанной намагниченности. Также внутри магнитных материалов могут существовать спиновые волны, то есть коллективные гармонические колебания ориентаций спинов. Спиновые волны в последнее время рассматриваются в перспективе применений в элементах альтернативной посткремниевой электроники. Ученые показали, что если такая волна распространяется вблизи сверхпроводящей поверхности, то ее скорость сильно изменится.

«Сверхпроводимость и ферромагнетизм являются антагонистическими явлениями: в их основе лежат прямо противоположные основы, — поясняет соавтор работы, научный сотрудник МФТИ Игорь Головчанский. — Поэтому их сосуществование всегда вызывает фундаментальный интерес. Совмещение в устройствах, так называемая гибридизация, позволяет расширить функциональные возможности этих устройств или осуществить их работу на новых физических принципах».

Традиционно при сочетании сверхпроводящих и ферромагнитных материалов, происходит модификация сверхпроводящей составляющей системы, однако в новой работе при сочетании ниобия и пермаллоя (сплава железа и никеля), классических модельных металлических материалов, свои свойства поменяла ферромагнитная составляющая.

Для проведения исследований ученые разместили ферромагнитную пленку из пермаллоя на сверхпроводящей ниобиевой поверхности и измеряли сверхвысокочастотные (СВЧ) свойства этой комбинации. Прохождение СВЧ-сигнала вызывало прецессию магнитного момента в пермаллое. При совпадении частот СВЧ-излучения с частотами резонансной прецессии магнитного момента, то есть прецессии момента с максимальной амплитудой, в ферромагнетике наблюдался эффект резонансного поглощения излучения. Однако резонансы происходили не на тех частотах, на которых их следовало ожидать. Авторы отмечают, что эти дополнительные линии спин-волнового резонанса находятся не там, где должны быть, а на более высоких частотах. Такое смещение говорит о повышении фазовой скорости спиновых волн вблизи сверхпроводящей поверхности.

Спиновая волна и ее зеркальное отражение в сверхпроводнике. Ферромагнетик (красный) помещается на поверхность сверхпроводника (фиолетовый). Сверхпроводник не пускает в себя магнитные поля ферромагнетика. Это эквивалентно взаимодействию спинов в ферромагнетике (красные стрелки) с их зеркальным отображением относительно сверхпроводящей поверхности (синие стрелки). Пресс-служба МФТИ

Исследователи смогли объяснить полученный эффект с точки зрения теории. Моделирование процессов в изучаемой системе позволило сделать вывод о том, что фазовая скорость спиновой волны в ферромагнетике увеличивается, поскольку волна взаимодействует с собственным зеркальным изображением, которое располагается по другую сторону сверхпроводящей поверхности. Это изображение, в свою очередь, создается вследствие одного из основных свойств сверхпроводников — эффекта Мейсснера, в результате которого магнитный поток в сверхпроводниках полностью экранируется.

Схема эксперимента. Несколько ферромагнитных пленок из сплава пермаллой (красным) размещены на ко-планарном волноводе, изготовленном из сверхпроводящей ниобиевой пленки Nb (серый); изоляционные зазоры волновода показаны синим. Черные и зеленые стрелки показывают направление распространения СВЧ-сигнала и направление внешнего магнитного поля соответственно. Ниобиевый волновод в эксперименте выполняет роль проводника СВЧ-сигнала и экранирующей Мейсснеровской поверхности. Пресс-служба МФТИ

«Повышение фазовой скорости спиновых волн может увеличить быстродействие системы или снизить энергопотребление системы за счет уменьшения прикладываемого для достижения необходимых частот магнитного поля, — заключает Головчанский. — Результаты этой работы означают: все, что было сделано со спиновыми волнами до настоящего момента, можно переделать, сочетая их со сверхпроводниками, и эти системы будут вести себя по-новому».