Физики предсказали новый тип резонансного взаимодействия в гибридных структурах

Ранее в подобных гибридных структурах ученые в основном изучали взаимодействие плазмонов (коллективных колебаний электронной плотности) с магнонами — спиновыми волнами. Однако в двумерной электронной системе возможно возникновение циклотронного резонанса: когда электроны, движущиеся по окружности в магнитном поле, поглощают электромагнитную волну, частота которой совпадает с частотой их вращения. Связь этого резонанса с ферромагнитным в магнитной пленке ранее не рассматривалась.

Теоретическая модель и расчеты

Физики построили простую модель: двумерная электронная система на тонкой ферромагнитной пленке, размещенная на металлическом затворе. Вся структура помещена во внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости слоев. На основе этой модели были получены аналитические формулы для коэффициента поглощения и частот резонансов.

Вычисления показали, что циклотронный и ферромагнитный резонансы взаимодействуют, что проявляется в виде взаимного расталкивания частот — антикроссинга. Если бы связи между ними не было, их частоты просто пересекались бы. Для реальных материалов — ферромагнитной пленки Bi:TmIG и двумерной электронной системы на основе AlGaAs — величина расщепления составила 1,6 ГГц при магнитном поле около 131 Э. Это говорит о том, что эффект доступен для экспериментального наблюдения.

Перспективы для электроники

Кроме того, расчеты показали, что магнитная пленка способна усиливать циклотронный сигнал в несколько раз, что повысит чувствительность измерений. Обнаруженное взаимодействие создает новый, управляемый канал сильной связи между магнитной и электронной подсистемами. Результаты актуальны для развития спинтроники, магнонной логики, нейроморфных вычислений и гибридных магнито-электронных устройств.

Авторы статьи, опубликованной в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)», отмечают, что работа потребовала знаний из разных областей физики: динамики электронов в двумерных системах и динамики намагниченности в магнетиках. Исследователи уже наметили дальнейшие направления: переход в терагерцевый диапазон за счет замены ферромагнетика на антиферромагнетик, а также исследование гибридизации магнонов с плазмонами. Интерес представляет и переход к двумерным магнетикам для усиления связи за счет непосредственной близости слоев.