Электронные и магнитные свойства двумерных материалов обладают большим потенциалом для технологического применения. Исследователи долгое время считали, что это разные явления, но инженеры компании Illinois Grainger доказали, что они описываются одним и тем же математическим языком.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review X, группа ученых из Инженерного колледжа Грейнджер при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне показала, как создать двумерные магнитные системы, подчиняющиеся тем же уравнениям, что и подвижные электроны в двумерном материале графен. Это математическое соответствие не только имеет значение для радиочастотных технологий, но и открывает возможности для нового метода изучения и разработки подобных систем.
«Аналогия между двумерной электроникой и двумерными магнитными свойствами не столь очевидна, и мы до сих пор поражаемся тому, насколько хорошо она работает, — говорит Бобби Каман, ведущий автор исследования. — Двумерная электроника очень хорошо изучена благодаря открытию графена, и теперь мы показали, что не столь хорошо изученный класс материалов подчиняется тем же фундаментальным физическим законам».
Эта идея пришла в голову Каману во время изучения метаматериалов, то есть материалов, мезоскопическая структура которых спроектирована таким образом, чтобы проявлять новые свойства, невозможные при использовании исходной структуры на атомном уровне. Поскольку электроны в графене и микроскопические намагниченности в так называемых магнонных материалах могут вести себя волнообразно, Каман задался вопросом, можно ли сделать так, чтобы магнонные материалы вели себя подобно графену.
«Графен уникален тем, что его электроны проводимости образуют безмассовые волны, поэтому мне было интересно, изменится ли поведение магнонного материала, если изменить его физическую геометрию так, чтобы он стал похож на графен, — говорит Каман. — Я думал, что у него будет несколько схожих с графеном свойств, но аналогия оказалась гораздо глубже, чем я ожидал».
Ученые рассмотрели систему, в которой микроскопические магнитные моменты, или «спины», находятся в тонкой пленке с отверстиями на поверхности, расположенными в виде шестиугольников. Рассчитав энергию распространяющихся возмущений, или спиновых волн, исследователи обнаружили, что они демонстрируют те же математические свойства, что и электроны в графене.
Однако система оказалась гораздо сложнее, чем предполагала простая аналогия. Было обнаружено 9 различных энергетических полос, что допускает одновременное существование большего количества вариантов поведения. Один из них — безмассовые спиновые волны, аналогичные электронным волнам в графене, но система также допускает существование полос с низкой дисперсией, соответствующих локализованным состояниям, и даже топологических эффектов в разных полосах.
«Работа примечательна тем, что в ней прослеживается прямая связь между искусственно созданной спиновой системой и фундаментальной физической моделью, — сказал Хоффманн. — Магнонные кристаллы печально известны тем, что в них возникает огромное количество явлений, зависящих от структуры и геометрии, большинство из которых каталогизированы, но до конца не изучены. Аналогия с графеном в этой системе дает четкое объяснение наблюдаемым явлениям».
Исследователи отметили, что изученная система будет иметь важное технологическое значение не только для фундаментальных исследований. В частности, ее применение возможно в микроволновых технологиях, используемых в беспроводных и сотовых сетях.
«Одно из таких устройств — это микроволновый циркулятор, который позволяет микроволновым радиосигналам распространяться только в одном направлении, — объяснил Хоффманн. — Обычно они довольно громоздкие, но изученная нами магнонная система позволит миниатюризировать микроволновые устройства до микрометрового масштаба».
[Фото: Bobby Kaman / University of Illinois Grainger College of Engineering]
