Специалисты из МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова (ИРЭ) РАН, возглавляемые директором Института, академиком РАН Сергеем Никитовым, разработали инновационный детектор, основанный на принципах спинтроники – технологии, применяющей магнитный момент электронов в движении. Это позволяет датчику улавливать частоты, значительно превышающие показатели, используемые в современной микроэлектронике. В ходе реализации проекта также был создан генератор микроволнового излучения, использующий аналогичные эффекты.
Микроволновые детекторы и генераторы являются ключевыми компонентами современных электронных систем. В настоящее время подавляющее большинство устройств функционирует на сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаниях, или микроволнах. Эти колебания располагаются в диапазоне от единиц до десятков гигагерц (ГГц). На подобном принципе основана работа бытовой техники, включая современные мобильные телефоны и телевизоры. Однако для создания более сложных устройств требуется детектирование и генерация более высоких частот, о чём «Научной России» сообщил руководитель проекта Сергей Никитов.
«Микроволновые частоты служат базой для передачи мобильной связи, используемой в телефонах третьего и четвертого поколения, которые распространены в настоящее время. В этих устройствах содержатся преобразователи, генераторы и детекторы частот, работающие примерно на уровне 2,4 ГГц. Разработка устройств пятого и шестого поколения требует увеличения рабочих частот, повышение скорости и объем передаваемой информации, что, в свою очередь, предполагает необходимость генераторов и детекторов, способных функционировать на более высоких частотах Сергей Никитов.
Частоты, превышающие определенный порог, относятся к терагерцовой области. Для сопоставления следует отметить, что СВЧ-колебания измеряются в гигагерцах, что соответствует диапазону до 10 9 Гц, колебания в терагерцовой области — это диапазон уже до 1012, таким образом, их величина выражается в терагерцах (ТГц). В чем заключается их основное различие? Прежде всего, при использовании терагерцовых частот работа устройства меньше подвержена воздействию природных факторов: волны этого диапазона способны проникать сквозь облачные слои и туманы, не изменяясь, в отличие от микроволн. Кроме того, терагерцовое излучение позволяет обнаруживать скрытые объекты; например, все современные системы контроля безопасности основаны на его использовании.
Для функционирования устройств, использующих терагерцовые волны, необходимы сверхпроводники, что нередко сопряжено с применением сложного оборудования.
«Сверхпроводники – это приборы, в которых ток может перемещаться почти без потерь. Однако для функционирования таких устройств требуются низкие температуры, например, температуры жидкого гелия или жидкого азота, что, в свою очередь, предполагает наличие специального оборудования. Речь идет о криогенных системах значительного объема, предназначенных для размещения сверхпроводников. Для использования в быту необходимы иные материалы, способные обнаруживать и излучать энергию при комнатной температуре Сергей Никитов.
В связи с этим, важным элементом нового детектора стало применение, наряду с антиферромагнитной пленкой, слоя из твердого металла, а именно платины. Платина обеспечивает контакт с антиферромагнетиком – материалом, обладающим значительным магнитным моментом, то есть способным создавать магнитное поле).
«Разрабатываются не только пленки, в которых возникают колебания, но и гетероструктуры, включающие в свой состав твердый металл. В качестве таковых применяются платина и палладий. Вращательное движение электрона вокруг ядра приводит к его движению по орбите, что сопровождается появлением магнитного момента — явление, известное как спинорбитальное взаимодействие. Именно это взаимодействие позволяет генерировать магнитный момент при прохождении электрического тока через проводник из твердого металла, и этот момент способен проникать в контактирующие антиферромагнитные материалы», — пояснил Сергей Никитов.
Благодаря обратному эффекту в платине возникает переменный ток, однако из-за магнитного момента антиферромагнетика он генерируется на более высоких частотах. Этот ток способен восприниматься антенной, что позволяет устройству функционировать на более высоких частотах и при комнатной температуре.
Данный материал создан при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Фото: upklyak / фотобанк Freepik