Учёные химического факультета и факультета наук о материалах МГУ обнаружили способность давно известного феррита кобальта взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым электромагнитным излучением. В отличие от более дорогих и сложных в изготовлении современных материалов, использующихся для работы с высокочастотным излучением, феррит кобальта сильно магнитится, из-за чего спиновые токи в нем могут достигать рекордно высоких значений. Появилась возможность создать генераторы и детекторы терагерцового излучения для промышленного использования.
Многие процессы в современном мире зависят от скорости передачи и обработки информации. Поэтому человечество стремится создавать многоядерные процессоры, суперкомпьютеры и т.д.
Существующие стандарты связи ограничены определённой частотой: чем она больше, тем больше информации за единицу времени возможно передать. Например, развивающаяся сейчас технология 6G позволит передавать информацию с частотой до 100 ГГц, что приблизительно в 20 раз сократит время её получения в сравнении со среднестатистическим домашним вайфаем.
Со временем человечеству необходимы будут устройства, способные функционировать и при более высоких частотах. Помимо короткого времени загрузки высококачественного видео «быстрая» связь необходима, например, в телемедицине, поскольку от оператора прибора, производящего медицинскую операцию, требуется точность движений скальпеля или лазера с минимальной задержкой сигнала.
«Для использования высокочастотных излучений требуются особые материалы, которые способны их сгенерировать и принять, – рассказал соавтор публикации Евгений Горбачёв, к.х.н., сотрудник химического факультета МГУ. – Именно в этой области мы сейчас и работаем».
Пригодные для эффективного взаимодействия с высокочастотным электромагнитным излучением материалы должны обладать способностью входить с ним в резонанс. Наиболее разумным способом преобразования излучения в аналитический сигнал, например, в электрический ток, считается механизм электронного резонанса в веществе. Поэтому крайне перспективно необходимо использовать материалы, где возможна высокая скорость вращения электронов. Определённые примеры таких веществ давно и хорошо изучены – это ферромагнетики и антиферромагнетики, магнитная структура которых обуславливает особые электронные свойства. Но первые детекторы высокочастотного излучения на их основе были сконструированы всего несколько лет назад.
Использование ферромагнетиков и антиферромагнетиков в промышленности сопряжено с необходимостью прикладывать внешнее магнитное поле, то есть надо найти сверхпроводящий магнит, погрузить его в жидкий гелий и подать большой ток. При этом все манипуляции должны совершаться при очень низких температурах, при этом магнит требуется ещё правильно расположить и направить в нужную сторону. «Использовать нечто подобное в каком-нибудь мобильном телефоне уж точно не получится», – отметил Евгений Горбачёв.
Ещё одна проблема антиферромагнетиков, которая обнаружилась в ходе исследований химиков МГУ, заключается в том, что ток, возбуждаемый в них, очень слабый, поскольку у них низкая магнитная восприимчивость – они плохо притягиваются даже к очень сильным магнитам.
«Изначально наша группа занималась магнитотвёрдыми материалами – например, теми, из которых делают магнитики на холодильник, магниты для моторов, среды для магнитной записи, а также антирадарные устройства. Они сохраняют направление и амплитуду магнитного поля, которое что-то притягивает или отталкивает, и которое может вступать в контакт с электромагнитными волнами. Мы подумали, что эти материалы можно как-то приспособить и для других, более инновационных целей, – пояснил Евгений Горбачёв. – Если материал – проводник, то он будет отражать излучение, поэтому нам необходимы диэлектрики – как раз наши различные ферриты, например, феррит кобальта, известный уже более семидесяти лет. Как раз они и представляют собой магнитотвёрдые материалы».
Именно феррит кобальта и был выбран исследователями в качестве простого материала, обладающего всеми необходимыми свойствами для пробы на роль взаимодействующего с высокочастотными излучениями. Хоть его синтез прост и банален, но про новую, обнаруженную химиками интересную физику феррита кобальта до их работы никто не знал. Математическая сложность уравнений, которые необходимо решить для описания физики магнитных материалов, напрямую зависит от количества магнитных подрешёток – и здесь феррит кобальта оказался проще родственных соединений, поскольку его структура может быть описана всего двумя частными уравнениями Ландау-Лифшица, а значит, имеет удобное количество решений. «Мы это сделали: написали на бумажке уравнения, по сложности приближенные к математическому анализу на младших курсах, решили его и получили интересную вещь: токи для ферримагнетиков должны быть на несколько порядков выше, чем у антиферромагнетиков, работы по которым сейчас публикуются в научных журналах Nature и Science. Но вопрос ещё и в величине частоты: она ведь тоже нужна большая. И тут пригодились знания в магнетизме: феррит кобальта при низких температурах магнитотвёрдый, поскольку колоссально увеличивается его магнитная анизотропия, влияющая на частоту электронного резонанса», – пояснил Евгений Горбачёв.
Учёные показали, что охлаждённый феррит кобальта способен резонансно поглощать частоты до 350 ГГц без приложения внешнего магнитного поля, что на сегодня стало рекордом. Также удалось экспериментально доказать наличие резонансных частот у этого вещества, причём резонанс этот именно электронный, то есть связанный с магнитной подсистемой. Однако такие свойства присущи не только ферриту кобальта: химики МГУ предложили целый класс материалов, которые могут практически использоваться в очень новой (“cutting edge”) области – терагерцовой спинтронике.
«Для нас эта работа стала неожиданным погружением в электронику и спинтронику. Это действительно важные вещи, и нам хотелось бы, чтобы они нашли скорейшее применение, но современная наука развивается на голову быстрее, чем производство, поэтому мы работаем на будущее: исследуем, анализируем, перебираем и описываем», – подытожил Мирослав Сошников, студент 3-го курса бакалавриата факультета наук о материалах МГУ, соавтор статьи.