Ученые СГУ разработали частотный фильтр для магнонных чипов
Ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) разработали магнонное устройство нового типа на основе двухслойного кристалла железо-иттриевого граната, способного эффективно разделять спиновые волны по частотам. Это достижение открывает перспективы для создания принципиально новых вычислительных систем с ультранизким энергопотреблением и высокой плотностью элементов.
В мире растет потребность в миниатюризации устройств обработки информации при снижении энергопотребления. Поэтому ученые активно ищут альтернативные подходы к обработке информации. Одним из наиболее перспективных направлений является магноника, где вместо электрических зарядов для передачи данных используются спиновые волны — коллективные возбуждения магнитных моментов в кристаллической решетке.
Группа исследователей из лаборатории «Магнитные метаматериалы» СГУ сделала важный шаг в этом направлении, создав уникальную двухслойную структуру из железо-иттриевого граната. Этот материал был выбран не случайно — он обладает рекордно низкими потерями при распространении спиновых волн. Разработанное устройство работает как своеобразный «частотный фильтр» для магнитных волн, направляя волны разной частоты в разные слои структуры.
Физический принцип работы устройства основан на тщательно рассчитанном взаимодействии между двумя магнитными слоями. За счет различий в их свойствах создаются так называемые запрещенные зоны для определенных частот — аналогично тому, как фотонные кристаллы управляют распространением света. В результате волны с разными частотами автоматически разделяются между слоями, что позволяет создавать многоканальные системы передачи информации.
«Нам впервые удалось реализовать частотно-селективное разделение спиновых волн между слоями структуры при комнатной температуре. Это как научить магнитные волны самостоятельно выбирать нужный «этаж» в микросхеме будущего», — пояснил один из авторов разработки, доцент кафедры открытых систем СГУ А.В. Садовников.
Исследователи подтвердили функциональность разработки с помощью уникальной установки бриллюэновской спектроскопии, позволяющей с нанометровой точностью исследовать распространение спиновых волн. Измерения показали, что устройство эффективно работает при комнатной температуре, что крайне важно для практического применения.
Особую ценность разработке придает ее потенциальная совместимость с существующими технологиями производства микрочипов. В перспективе такие структуры могут стать основой для создания нового поколения вычислительных устройств, где логические операции будут выполняться не электрическими токами, а спиновыми волнами. Это позволит в десятки раз снизить энергопотребление и значительно увеличить плотность элементов на чипе.
В планах ученых — исследование радиационной стойкости разрабатываемых магнонных устройств для применения в космической промышленности и разработка более сложных многоканальных устройств с одновременным исследованием температурной стабильности.
Работа выполнена по госзаданию Минобрнауки России и поддержана в рамках программы «Приоритет-2030».