Анонс: В рамках исследования, опубликованного в журнале Physical Review X, инженеры из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне продемонстрировали глубокую математическую связь между, казалось бы, разными физическими явлениями. Они доказали, что поведение спиновых волн в специально сконструированных двумерных магнитных системах описывается теми же уравнениями, что и движение электронов в графене.
Это открытие устанавливает неочевидную аналогию между сферами электроники и магнетизма. Оно открывает новые перспективы для разработки радиочастотных устройств и предоставляет исследователям мощный аналитический инструмент. Данный подход позволяет использовать хорошо изученные модели из физики графена для анализа и проектирования перспективных магнитных материалов.
Вывод: Установленная математическая эквивалентность между электронами в графене и спиновыми волнами в магнитных системах создает основу для кросс-дисциплинарных инноваций. Это открытие позволяет переносить знания из области 2D-электроники в сферу магноники, ускоряя разработку новых устройств и методов анализа материалов.
Спиновые волны на тонкой пленке с отверстиями, расположенными в виде шестиугольника. Исследователи доказали, что эта система ведет себя математически так же, как и электроны в графене. Кредит: Бобби Каман
Двумерные материалы вызывают значительный научный интерес, поскольку их уникальные электронные и магнитные свойства могут лечь в основу технологий будущего. Традиционно эти два типа поведения рассматривались как отдельные явления. Однако инженеры из Иллинойсского университета доказали, что они связаны на фундаментальном математическом уровне.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review X, исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне продемонстрировали, как специально сконструированные двумерные магнитные системы могут описываться теми же уравнениями, что и движущиеся электроны в графене. Эта математическая связь может найти применение при создании радиочастотных устройств, а также предоставит исследователям новый инструмент для анализа и разработки подобных материалов.
«Совершенно не очевидно, что существует аналогия между 2D-электроникой и 2D-магнитным поведением, и мы до сих пор поражаемся тому, насколько хорошо эта аналогия работает», — сказал Бобби Каман, ведущий автор исследования. «2D-электроника очень хорошо изучена благодаря открытию графена, и теперь мы наблюдаем, что не очень хорошо изученный класс материалов подчиняется той же фундаментальной физике».
Вдохновение из метаматериалов и графена
Эта концепция возникла в результате работы Кеймана с метаматериалами. Эти материалы сформулированы таким образом, что их крупномасштабная структура обеспечивает поведение, которое обычно не встречается в естественном атомном расположении материала.
Каман, аспирант в области материаловедения и инженерии, работающий в исследовательской группе профессора Аксели Хоффмана, понял, что и электроны графена, и микроскопические магнитные возбуждения в так называемых магнонных материалах ведут себя как волны. Это сходство открыло интригующую возможность. Возможно, магнитную систему можно было бы спроектировать так, чтобы она математически вела себя как графен.
«Графен уникален, потому что его электроны проводят организуясь в безмассовые волны, поэтому мне было любопытно, изменит ли изменение физической структуры магнонного материала так, чтобы он выглядел как графен, заставлял его вести себя как графен», — сказал он. — сказал Кейман. «Я думал, что он, возможно, будет обладать несколькими свойствами, сравнимыми с графеном, но аналогичный результат оказался гораздо глубже и богаче, чем я ожидал».
Разработка магнитной системы, имитирующей графен
Чтобы изучить эту идею, исследователи смоделировали тонкую магнитную пленку, содержащую микроскопические отверстия, расположенные в виде шестиугольника. Внутри этой структуры микроскопические магнитные моменты, называемые «спины», взаимодействуют и создают быстрое возмущение, называемое спиновыми волнами.
Когда команда рассчитала энергию этих спиновых волн, выяснилось, что их математическое поведение близко соответствует поведению электронов, которые они двигаются через графен.
Система оказалась даже сложнее, чем ожидалось. Вместо простых аналогов «один к одному» исследователи определили девять различных видов спектра. Эти полосы позволяют обеспечить соблюдение нескольких типов поведения. Среди них безмассовые спиновые волны, подобные электронным волнам графена, а также полосы с низкой дисперсией, связанные с локальными сигналами, и даже топологические эффекты, охватывающие несколько зон.
«Что делает работу Бобби примечательной, так это то, что она устанавливает связь между инженерной спиновой системой и фундаментальной физической моделью», — сказал он. — сказал Хоффманн. «Магнные кристаллы печально известны тем, что они вызывают огромное разнообразие вариаций, определяющих структуру и структуру, большинство из которых из каталогизированы, но до конца не понятны. Аналогия с графеном в этой системе дает четкое объяснение наблюдаемому поведению».
Потенциал для маленьких микроволновых устройств
Несмотря на важность фундаментальной физики, исследование может иметь практическое применение. Команда считает, что система может быть полезна в микроволновых технологиях, в беспроводной и сотовой связи.
«Одним из таких устройств является «микроволновой циркулятор», который позволяет микроволновым радиосигналам распространяться только в одном направлении», — сказал он. Хоффманн объяснил. «Обычно они громоздки, но изученная нами магнонная система может увеличить миниатюризацию микроволновых устройств до микрометрового масштаба».
Исследовательская группа Хоффмана уже подала заявку на патент, охватывающую управление их микроволновыми устройствами.
Джинхо Лим и Инкай Лю также внесли свой вклад в исследование.
Поддержка работ была оказана Иллинойским научно-исследовательским и инженерным центром материалов через Национальный научный фонд.
Аксель Хоффманн — профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсе Грейнджер на факультете материаловедения и инженерии. Он также связан с Лабораторией исследований материалов и занимает должность профессора-основателя.