Немецкие физики обнаружили, что квазичастицы-магноны, соответствующие элементарным спиновым возбуждениям в магнитных материалах, могут существовать при температуре, значительно превышающей температуру Кюри, то есть когда в материале уже отсутствует дальний магнитный порядок. Ученые считают, что это открытие позволит расширить температурный диапазон применения спинтронных устройств, в которых передача информации между отдельными спинами производится за счет магнонов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, ее краткое описание доступно на Physics.

Магноны — это элементарные возбуждения системы взаимодействующих магнитных моментов, или, другими словами, это квазичастицы, с помощью которых физики описывают распространение в магнитных материалах спиновых волн. Спиновые волны, в свою очередь, это временные «нарушения» строгого магнитного порядка, которые могут возникнуть, например, из-за термического возбуждения отдельно взятого магнитного момента. Можно представить себе цепочку магнитных центров со строго сонаправленными спинами (это возможно, если они прямо или косвенно взаимодействуют друг с другом), в которой мы немного отклоним один из них. Такое локальное нарушение порядка затронет соседние спины, которые будут стремиться «вернуть порядок» и тоже начнут отклоняться от первоначального направления. В результате возникнут спиновые волны, которым, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, можно поставить в соответствие квазичастицы-магноны.

Иллюстрация спиновой волны в цепочке спинов. Wikimedia Commons

В теоретической физике магноны используются для описания поведения намагниченности — экспериментально измеряемой величины. Изучение изменений, которые претерпевает намагниченность в зависимости от температуры, позволяет многое узнать об особенностях магнитного упорядочения в том или ином материале (например, можно установить, ферромагнетик это или нет). А магноны как раз помогают связать экспериментальные данные с теорией. Но при этом о них самих известно достаточно мало. Было доказано, что они существуют, измерены несколько зависимостей их параметров от температуры, а также экспериментально показано, что магноны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и даже могут конденсироваться на одном энергетическом уровне, наподобие электронных пар в сверхпроводниках.

Но до сих пор остается открытым вопрос: что происходит с магнонами вблизи или выше точки Кюри (так называют температуру магнитного упорядочения в ферромагнетиках)? Продолжают ли они существовать, когда дальний магнитный порядок в материале разрушается, или исчезают? Ответы на эти вопросы, в частности, позволят установить диапазон температур для эффективной работы спинтронных устройств, в которых информация может передаваться от одной ячейки памяти к другой с помощью магнонов.

Авторы новой работы смогли показать, что даже после разрушения дальнего магнитного порядка некоторые магноны все же «выживают» (при этом следует помнить, что ближний порядок может сохраняться, поскольку соседние спины продолжают взаимодействовать друг с другом). Что еще более важно, «в живых» остаются распространяющиеся со сравнительно высокой скоростью терагерцовые магноны, которые и собираются применять в спинтронных устройствах. Кроме того, физики утверждают, что их исследование доказывает возможность проявления в парамагнетиках спинового эффекта Зеебека — возникновения поляризованного по спину электрического тока в металле под действием потока тепла от прилегающего слоя магнитного материала. Это явление лежит в основе новой отрасли квантовой электроники — «спиновой калоритроники», в которой направлением спинов управляют за счет потоков тепла.

По словам авторов работы, в предыдущих подобных попытках «увидеть» магноны выше точки Кюри использовались материалы со слишком высокой температурой магнитного упорядочения. Поэтому их приходилось нагревать до высоких температур, при которых могло происходить изменение кристаллической структуры материала, с магнонами никак не связанное. Либо использовались методики измерений, не позволяющие определить время жизни магнонов, а следовательно, и предсказать, могут ли они использоваться в спинтронике, или будут рассеиваться прежде, чем успеют передать нужную информацию.

Поэтому в этот раз ученые измеряли тонкую пленку из железо-палладиевого сплава, которая имеет сравнительно низкую точку Кюри (около 380 кельвин или 107 градусов Цельсия), а для регистрации магнонов использовали спектроскопию высокого разрешения характеристических потерь энергии спин-поляризованными электронами (SPEELS). Грубо говоря, ученые облучали образец электронами с практически одинаковой энергией и направлением спина и регистрировали, электроны с какой энергией и спином при этом будут излучаться образцом.

Анимация движения спиновой волны через образец при температуре 13 кельвин (-260 градусов Цельсия). При этой температуре магнон движется со скоростью примерно 18,6 километра в секунду.

Физики провели экспериментальные измерения вплоть до температур в 400 кельвин (примерно 127 градусов Цельсия), что на 20 градусов выше температуры фазового перехода в парамагнитную (или неупорядоченную) фазу. Несмотря на то что время жизни магнонов уменьшается с ростом температуры, оно все равно остается достаточным, чтобы квазичастица успела пролететь около трех нанометров, прежде чем исчезнуть. Хотя эта величина довольно мала, она на порядок больше характерных расстояний между атомами в кристаллической структуре, а значит, такой магнон вполне может успеть передать закодированную информацию.

Спинтроника — по аналогии с электроникой — это область науки, изучающая возможность создания устройства, в которых носителем сигнала был бы не электрон, а направление спина отдельного атома или даже электрона. Чтобы закодировать «0» или «1» в электронике, нужно целое устройство, например, транзистор. В спинтронике все должно быть проще: спин «вверх» — это «1», спин «вниз» — «0». Таким образом, теоретически отдельный атом может заменить целый транзистор. Это позволило бы не только еще больше миниатюризировать компьютеры, но и уменьшить их энергопотребление, потому что затраты энергии, которые требуются для переворотов спина, очень низкие. Недавно на основе спинтронного устройства удалось запустить нейросеть.

Автор: Екатерина Митрофанова