Группа физиков создала миниатюрный детектор спиновых волн, состоящий всего из 11 атомов. Разработанный детектор обладает памятью в несколько секунд, что делает его совместимым с современными методами измерения с помощью сканирующих туннельных микроскопов.

Работа опубликована в журнале Nature Communications Physics.

Работа устройств спинтроники основана на магнонах, или спиновых волнах, которые представляют собой элементарные магнитные возбуждения спинов (о спинтронике и ее приложениях можно почитать в материале «Магнетизм электричества»). К сожалению, контролировать спиновые волны в наноустройствах невероятно сложно. Помимо того, что волны распространяются чрезвычайно быстро, они могут двигаться в противоположных направлениях одновременно благодаря своей квантовой природе. Чтобы управлять спиновыми волнами, необходимо, для начала, научиться наблюдать за их динамикой с высокой точностью.

Для измерения магнонов в атомных структурах существуют схемы обнаружения, использующие атомный зонд в сканирующем микроскопе. К сожалению, современные сканирующие микроскопы часто не способны уловить быстрые спиновые волны: для зондирования динамического отклика, который происходит быстрее, чем время измерения микроскопа, необходимо разработать промежуточный детектор с памятью, который сохранит отклик до тех пор, пока он не будет измерен микроскопом. Другими словами, детектор с памятью должен записывать информацию на временном масштабе, доступном для сканирующего микроскопа (порядка секунды). Однако разработка такой системы — серьезный вызов для физиков-экспериментаторов.

Группа исследователей из Университета Делфта под руководством профессора Сандера Отте (Sander Otte) создала такой промежуточный детектор для изучения динамики магнонов. Детектор представляет собой квантовую систему, очень чувствительную к возбуждениям: атомы железа, выстроенные в цепочку, способны измерить проходящую спиновую волну и хранить результат измерений до нескольких секунд после самого факта прохождения волны. Устройство содержало три атома во входном слое и восемь атомов на выходе.

Модель детектора, состоящего из 11 атомов: 3 атома на входном слое и 8 атомом на выходе. / R. J. G. Elbertse, et al. / Nature Communications Physics, 2020

Для измерения волн физики сначала инициализировали все атомы детектора в основном состоянии с наименьшей энергией. Затем на входной слой подавалась спиновая волна, которая затем передавалась и в выходной слой. Через какое-то время атомы во входном слое релаксировали и оказывались в основном состоянии.

Из-за созданного взаимодействия атомы в выходном слое хранили информацию о спиновой волне в своем состоянии достаточно долго и могли быть считаны с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Для оценки чувствительности построенного прибора, исследователи подключили устройство к атомным цепочкам, по которым передавались магнитные волны. В результате им удалось успешно уловить спиновые волны, которые возникали на расстоянии до девяти атомов от детектора. Физики обещают, что такой чувствительности должно хватить для изучения более сложных систем, которые потенциально могут использовать в спинтронике — что и планируют делать дальше авторы работы.