Elektroda nadprzewodząca kontroluje fale spinowe w magnesie – Świat Fizyki

Elektroda nadprzewodząca kontroluje fale spinowe w magnesie – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 21 grudnia 2023 5:00

Ilustracja przedstawiająca dwie złote elektrody na wierzchu cienkiej warstwy magnetycznej
Ilustracja eksperymentu przedstawiająca dwie złote elektrody na cienkiej warstwie magnetycznej. Pośrodku znajduje się elektroda nadprzewodząca. Za pomocą lewej złotej elektrody badacze generują fale spinowe w materiale magnetycznym, które przemieszczają się w prawo. Na wierzchu elektrod znajduje się kwadratowa membrana diamentowa, która pozwala badaczom widzieć na wylot elektrodę nadprzewodzącą. (Dzięki uprzejmości: Michael Borst, TU Delft)

Umieszczenie nadprzewodzącej elektrody na cienkim magnesie umożliwia manipulowanie i kontrolowanie tak zwanych „fal spinowych” wewnątrz magnesu poprzez prostą zmianę temperatury elektrody. Wyniki uzyskane przez fizyków kwantowych z Uniwersytetu Technologicznego w Delft w Holandii mogą przyspieszyć rozwój urządzeń spintronicznych, które wykorzystują spin elektronu oraz jego ładunek.

Fale spinowe to zbiorowe oscylacje porządku magnetycznego w materiałach magnetycznych i są bardzo obiecujące dla spintroniki, ponieważ w niektórych ośrodkach mogą przemieszczać się o milimetry, a nawet centymetry z bardzo małymi stratami. Oznacza to, że mogą przesyłać sygnały elektryczne na duże odległości, zużywając mniej energii niż konwencjonalna elektronika. Można nimi także manipulować, aby wykonać wiele obliczeń lub operacji, zanim sygnał z nich zaniknie, co jest ważne w przypadku praktycznych urządzeń.

Głównym problemem fal wirowych jest to, że trudno je kontrolować. Jednak badacze pod kierunkiem Toeno van der Sar i Michał Borst wykazali teraz, że można tego dokonać w cienkiej warstwie magnetycznej przy użyciu nadprzewodnika. W swoim badaniu, które opisują w nauka, zaczęli od chipa pokrytego cienką warstwą magnetyczną granatu itrowo-żelazowego (YIG). Na wierzchu tej folii umieścili złotą elektrodę, której użyli do wzbudzenia fal spinowych w YIG. Następnie umieścili elektrodę nadprzewodzącą obok złotej elektrody i zbadali, w jaki sposób fale spinowe przemieszczają się pod nią.

Kontrolowanie miejsca i sposobu propagacji fal spinowych

Chociaż teoria przewiduje, że normalne (nie nadprzewodzące) elektrody metalowe powinny być w stanie kontrolować długość fali i propagację fal spinowych, wcześniejsze prace grupy ujawniły, że takie elektrody „głównie tłumią fale spinowe i w ogóle nie zapewniają takiej kontroli”. Borst wyjaśnia. Dlatego on i jego koledzy byli bardzo zainteresowani sprawdzeniem, czy nadprzewodnik dałby inny wynik – i rzeczywiście tak się stało.

„Aby elektroda stała się nadprzewodząca, schłodziliśmy chip do temperatury poniżej 9 K, a kiedy tak się stało, nagle zaobserwowaliśmy dramatyczną zmianę długości fali spinu” – mówi Borst. „Odkryliśmy, że zmieniając temperaturę elektrody, możemy dokładnie dostroić tę długość fali. Tworząc gradient temperatury w elektrodzie, moglibyśmy kontrolować, gdzie i jak rozchodzą się fale spinowe.

Monitorowanie propagacji

Jednym z głównych wyzwań, jakie zespół musiał pokonać, było znalezienie sposobu monitorowania propagacji fal spinowych pod elektrodą. Nie jest to łatwe zadanie, ale badacze sobie z nim poradzili, tworząc unikalny czujnik pola magnetycznego oparty na spinach elektronów w diamencie, który umożliwia bezpośrednią obserwację fal spinowych. „To potężna technika, która z pewnością przyda się w przyszłości do charakteryzowania bardziej złożonych urządzeń z falą spinową pokrytych metalem” – mówi Borst Świat Fizyki.

Według Zespół Politechniki w Delftnowe prace mogą umożliwić stworzenie wielu rodzajów obwodów i urządzeń fal spinowych, takich jak wnęki fal spinowych na chipie, reflektory fal spinowych i siatki fal spinowych.

„Co ciekawe, badając te fale, możemy także poznać ważne właściwości nadprzewodnika” – mówi Borst. „W istocie wykazaliśmy to, mapując jeden z takich podstawowych parametrów, głębokość penetracji nadprzewodnika w Londynie (głębokość, na której zewnętrzne pole magnetyczne wnika w nadprzewodnik), w funkcji temperatury”.

Patrząc w przyszłość, naukowcy opracowują obecnie sposoby opracowywania rzeczywistych urządzeń wykorzystujących fale spinowe i badają, w jaki sposób nadprzewodnik oddziałuje z różnymi typami fal spinowych. „Chcielibyśmy także zwiększyć naszą kontrolę nad propagacją fali spinowej poprzez wprowadzenie złożonych gradientów temperatury w elektrodzie nadprzewodzącej” – mówi Borst.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki