Суб-терагерцовые/терагерцовые электронные резонансы в жёстких ферримагнетиках

1 февраля 2023 г.

Введение

Переход к сверхбыстрой электронике, работающей на суб-терагерцовых/терагерцовых частотах (суб-ТГц/ТГц, 0,1-5 ТГц), в настоящее время ограничен проблемами изготовления спинтронных устройств и поиска материалов с высокочастотными функциональными свойствами. За последнее десятилетие интерес учёных в этой области сместился от ферромагнитных материалов (ФМ) к антиферромагнетикам (АФМ) и компенсированным ферримагнетикам (КФМ), в основном мотивированный более быстрыми временными масштабами спиновой динамики, достигающими сотен гигагерц.

Проблема

Существующие подходы к генерации спинового тока сталкиваются со значительными ограничениями:

Ферромагнитный резонанс (ФМР) имеет низкие частоты (десятки ГГц) и требует внешних магнитных полей до нескольких Тесла
Антиферромагнитный резонанс (АФМР) работает на суб-ТГц/ТГц частотах, но требует:
- Внешних магнитных полей для снятия вырождения мод
- Поляризованного излучения для возбуждения только одной хиральной моды
- Сложных конфигураций устройств

Явление естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР) происходит без внешних магнитных полей, что делает его чрезвычайно перспективным для практической спинтроники. Однако частоты ЕФМР традиционно низки (не превышают дюжины ГГц), и в литературе нет предложений по спинтронным устройствам на основе эффекта ЕФМР.

Решение: жёсткие ферримагнитные изоляторы

Ключ к достижению высоких частот ЕФМР лежит в получении больших полей магнитной анизотропии ( $H_a$ ) в диэлектрических материалах. Феноменологически:

H_a \propto \frac{K_{mca}}{M_{SV}}

где $K_{mca}$ — константа магнитокристаллической анизотропии, а $M_{SV}$ — объёмная намагниченность насыщения.

Исследователи изучили кобальтовый феррит (CoFe $_2$ O $_4$ ) в форме наночастиц и объёмной керамики, синтезированный высокотемпературными методами.

Материалы и синтез

Синтез наночастиц

Высококачественные наночастицы кобальтового феррита были получены путём высокотемпературной обработки ксерогеля Co-Fe-Si-O:

Стехиометрические Fe(NO $_3$ ) $_3$ $\cdot$ 9H $_2$ O и CoCO $_3$ растворены в водно-спиртовом растворе
Тетраэтоксисилан (TEOS) добавлен для получения 20 мас.% CoFe $_2$ O $_4$ в композите CoFe $_2$ O $_4$ /SiO $_2$
Термическая обработка при 900-1200 °C с финальным отжигом в течение 3 часов
Кремнезёмная матрица удалена обработкой NaOH

Синтез керамики

Стехиометрические CoCO $_3$ и Fe $_2$ O $_3$ были:

Смешаны и спрессованы в таблетки
Нагреты до 1350 °C в течение 2 часов
Закалены, измельчены, повторно спрессованы и отожжены

Ключевые результаты

Однодоменное состояние и магнитные свойства

Как наночастицы, так и керамика в однодоменном состоянии показывают широкие петли гистерезиса благодаря высоким полям магнитной анизотропии. Материалы проявляют выраженные жёсткие магнитные свойства.

Рекордные частоты ЕФМР

Впервые зарегистрированы частоты естественного ферромагнитного резонанса выше 0,30 ТГц:

Тип образца	Максимальная частота ЕФМР	Температура
Наночастицы	>0,20 ТГц	5-300 K
Керамика	0,35 ТГц	<50 K

Керамический образец демонстрирует наивысшую известную частоту ЕФМР 0,35 ТГц — рекордное достижение.

Терагерцовое поглощение

Образцы обладают интенсивным резонансным поглощением на частотах выше 0,20 ТГц в нулевых внешних магнитных полях, что делает их привлекательными в качестве изолирующих сред в суб-ТГц/ТГц диапазонах.

Теоретическая модель

Для объяснения магнитодинамических свойств была разработана модель на основе уравнения Ландау-Лифшица. Ключевые выводы:

Две резонансные моды в ферримагнетиках

Двухподрешёточные ферримагнитные материалы проявляют две резонансные моды:

Мода ЕФМР (правовращательная) — частоты в диапазоне от ГГц до суб-ТГц в зависимости от $H_a$
Обменная мода (ОМ, левовращательная) — частоты в ТГц диапазоне

Для мягких ферримагнетиков ( $H_a \ll H_E$ ):

Мода ЕФМР в диапазоне ГГц
Обменная мода в диапазоне ТГц

Для жёстких ферримагнетиков ( $H_a \approx 10-100\%$ от $H_E$ ):

Обе частоты лежат в суб-ТГц/ТГц диапазонах

Генерация спинового тока

Спиновый ток может быть выражен как:

J_s = \frac{\hbar}{4\pi} g_{\uparrow\downarrow} \langle \mathbf{M} \times \dot{\mathbf{M}} \rangle

Моделирование выявляет критические преимущества ферримагнетиков перед антиферромагнетиками:

Свойство	Ферримагнетик (ЕФМР)	Антиферромагнетик (АФМР)
Внешнее поле требуется	Нет	Да
Поляризованное излучение	Не требуется	Требуется
Величина спинового тока	На 4-5 порядков выше	Базовая
Хиральные моды	Отсутствуют	Присутствуют (вырождены при H=0)

Ключевые преимущества жёстких ферримагнетиков

Отсутствие хиральных мод — чистый спиновый ток может быть индуцирован неполяризованным излучением даже в нулевых внешних магнитных полях
Значительно более высокие магнитные восприимчивости — спиновые токи в 2-4 раза выше, чем АФМР во всём диапазоне полей анизотропии и частот
Существенный спиновый ток от обменной моды — даже при нулевом поле анизотропии

Сравнение с другими жёсткими магнитными изоляторами

Материал	Жёсткость при комнатной температуре	Частота ЕФМР	Коэффициент поглощения
CoFe $_2$ O $_4$	Ниже 200 K	Наивысшая (0,35 ТГц)	Наивысший
Al-легированный M-гексаферрит	Да	Высокая (до 297 ГГц)	Умеренный
$\epsilon$ -Fe $_2$ O $_3$	Да	Умеренная (до 222 ГГц)	Ниже

Несмотря на то, что кобальтовый феррит является магнитно-твёрдым только ниже 200 K, он характеризуется значительно более высокими коэффициентами поглощения и частотами ЕФМР по сравнению с другими жёсткими магнитными изоляторами.

Применения в сверхбыстрой электронике

1. Электромагнитная изоляция

Благодаря резонансному поглощению в суб-ТГц/ТГц диапазоне, CoFe $_2$ O $_4$ и другие жёсткие магнитные изоляторы привлекательны в качестве изолирующих сред как в магнитном поле, так и в его отсутствии.

2. Перенос спиновых волн

Жёсткие ферримагнитные материалы подходят для сверхбыстрого ближнего переноса спиновых волн в спинтронных наноустройствах. Большой коэффициент затухания, хотя и не подходит для дальней передачи, приемлем для наноразмерных применений.

3. Индукция чистого спинового тока

Наиболее перспективное применение — индукция чистого спинового тока для:

Детектирования высокочастотного электромагнитного излучения
Разработки сверхбыстрой электроники
Создания ТГц поляризаторов (благодаря различной поляризации резонансных мод)

Почему ферримагнетики превосходят антиферромагнетики

Ограничения ФМР

Частоты не превышают десятков ГГц
Требуется внешнее магнитное поле для индукции спинового тока
При $H_{app} = 0$ прецессия намагниченности не происходит

Ограничения АФМР

Две хиральные моды вырождены при $H_{app} = 0$
Результирующий спиновый ток исчезает из-за антипараллельных моментов количества движения
Требуется либо:
- Поляризованное излучение для возбуждения только одной моды
- Внешнее магнитное поле ( $H_{app} > 0$ ) для снятия вырождения
Громоздкое оборудование для высоких магнитных полей делает практическое использование нецелесообразным

Преимущества ферримагнетиков

Внешнее магнитное поле не требуется — ЕФМР происходит естественно
Достаточно неполяризованного излучения — нет вырождения хиральных мод
На порядки более высокие спиновые токи — благодаря более высокой магнитной восприимчивости
Компактная интеграция устройств — не нужны громоздкие магнитные установки

Оптимальная форма материала для интеграции в устройства

Наиболее подходящей формой для интеграции в электронные устройства является текстурированная тонкая плёнка:

Минимальное распределение оси лёгкого намагничивания относительно k-вектора электромагнитной волны
Значительно более узкая резонансная линия
Эпитаксиальный рост может вызывать искажения кристаллической структуры, увеличивая магнитокристаллическую анизотропию и резонансные частоты

Альтернативно, могут использоваться частицы, ориентированные в магнитном поле — проще в изготовлении, и высокая сплошность не требуется для таких применений.

Заключение

Эта работа демонстрирует несколько прорывных достижений:

Первое наблюдение электронных резонансов в материалах из кобальтового феррита
Рекордная частота ЕФМР 0,35 ТГц для керамических образцов ниже 50 K
Доказательство концепции жёстких ферримагнетиков как кандидатов для интеграции в сверхбыструю электронику

Главное преимущество жёстких ферримагнетиков перед антиферромагнетиками заключается в том, что устройства спиновой накачки могут работать без внешних магнитных полей, обеспечивая значительно более высокие спиновые токи во всём диапазоне резонансных частот.

Эти находки представляют важный шаг к разработке практической ТГц электроники на основе естественного ферромагнитного резонанса в жёстких магнитных изоляторах.

Направления будущих исследований

Научному сообществу следует сосредоточиться на:

Методах увеличения магнитной анизотропии в известных материалах
Поиске новых материалов с высокими полями анизотропии и намагниченностью насыщения
Разработке текстурированных тонких плёнок для оптимальной интеграции устройств
Оптимизации коэффициентов затухания через контроль микроструктуры и состава

Статья основана на исследовании, опубликованном в Materials Today (2023): “Sub-terahertz/terahertz electron resonances in hard ferrimagnets” авторов Evgeny A. Gorbachev, Miroslav V. Soshnikov, Liudmila N. Alyabyeva, Ekaterina S. Kozlyakova, Anastasia S. Fortuna, Asmaa Ahmed, Roman D. Svetogorov и Lev A. Trusov.

Share this article:

Twitter LinkedIn Facebook Telegram Mastodon

Высококоэрцитивная гексаферритовая керамика с суб-терагерцовым ферромагнитным резонансом Гигантская коэрцитивная сила и суб-терагерцовый ферромагнитный резонанс в жёстких ферритовых магнитных изоляторах