Учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского разработали новый тип магнонного устройства на основе двухслойного кристалла из железо-иттриевого граната, способного эффективно разделять спиновые волны по частотам. Это достижение открывает перспективы для создания принципиально новых вычислительных систем с ультранизким энергопотреблением и высокой плотностью элементов.
В мире растёт потребность в миниатюризации устройств обработки информации при снижении энергопотребления. Поэтому учёные активно ищут альтернативные подходы к обработке информации. Одним из наиболее перспективных направлений является магноника, где вместо электрических зарядов для передачи данных используются спиновые волны – коллективные возбуждения магнитных моментов в кристаллической решётке.
Группа исследователей из лаборатории «Магнитные метаматериалы» СГУ сделала важный шаг в этом направлении, создав уникальную двухслойную структуру из железо-иттриевого граната. Этот материал был выбран не случайно – он обладает рекордно низкими потерями при распространении спиновых волн. Разработанное устройство работает как своеобразный «частотный фильтр» для магнитных волн, направляя волны разной частоты в разные слои структуры.
Физический принцип работы устройства основан на тщательно рассчитанном взаимодействии между двумя магнитными слоями. За счёт различий в их свойствах создаются так называемые запрещённые зоны для опредёленных частот – аналогично тому, как фотонные кристаллы управляют распространением света. В результате волны с разными частотами автоматически разделяются между слоями, что позволяет создавать многоканальные системы передачи информации.
«Нам впервые удалось реализовать частотно-селективное разделение спиновых волн между слоями структуры при комнатной температуре — это как научить магнитные волны самостоятельно выбирать нужный 'этаж' в микросхеме будущего», – поясняет доцент кафедры открытых систем СГУ А.В. Садовников.
Экспериментальное подтверждение работы устройства было получено с помощью уникальной установки Бриллюэновской спектроскопии, позволяющей с нанометровой точностью исследовать распространение спиновых волн. Измерения показали, что устройство эффективно работает при комнатной температуре, что крайне важно для практического применения.
Особую ценность этой разработке придает её потенциальная совместимость с существующими технологиями производства микрочипов. В перспективе такие структуры могут стать основой для создания нового поколения вычислительных устройств, где логические операции будут выполняться не электрическими токами, а спиновыми волнами. Это позволит в десятки раз снизить энергопотребление и значительно увеличить плотность элементов на чипе.
Работа ведётся по Госзаданию Министерства науки и высшего образования РФ FSRR 2023-0008 и согласуется со стратегическими исследованиями СГУ в рамках федеральной программы «Приоритет-2030».
Результаты работы саратовцев опубликованы в научном журнале Physical Review Applied. Следующими шагами учёных станут исследование радиационной стойкости разрабатываемых магнонных устройств для применения в космической промышленности и разработка более сложных многоканальных устройств с одновременным исследованием температурной стабильности.
Подготовила Альфия Тимошенко