Физики из USC Dornsife, Корнеллского университета и других научных центров создали микроскопическое устройство, способное не только улавливать, но и управлять стремительным «танцем» спинов электронов в антиферромагнетиках. Это открывает путь к новому поколению сверхбыстрой и энергоэффективной электроники.

Результаты опубликованы в издании Science.

Антиферромагнетики — это материалы, в которых спины электронов направлены в противоположные стороны, нейтрализуя друг друга. В отличие от магнитов, они не создают внешнего поля, зато работают на невероятных скоростях — триллионы колебаний в секунду. До сих пор изучать их квантовые свойства можно было только в лабораториях с громоздким оборудованием.

Новое устройство размером в несколько атомов меняет правила игры. Оно состоит из трех ультратонких слоев и действует как «квантовый стетоскоп»: улавливает колебания спинов и регулирует их с помощью электрического тока.

Теперь у нас есть инструмент, который и слушает, и управляет спинами — и все это без гигантских установок, — говорит Келли Луо, соавтор исследования.

Ключевая хитрость — в небольшом смещении слоев. Сначала ученые не могли различить сигналы от двух магнитных слоев — они звучали в унисон. Но легкий «разворот» позволил разделить их, как если бы два скрипача играли одну ноту, но с едва заметным смещением.

Что дальше? Ученые планируют создать наноосцилляторы — крошечные генераторы сверхвысокочастотных сигналов для медицинской визуализации, телекоммуникаций и квантовых вычислений. Еще один перспективный путь — «отрицательное затухание», когда колебания спинов не затихают, а, наоборот, усиливаются, превращая устройство в миниатюрный источник терагерцового излучения.

Исследование может перевернуть несколько областей:

• Связь: Антиферромагнетики позволят передавать данные на терагерцовых частотах — в сотни раз быстрее 5G. Это не только ускорит интернет, но и сделает его безопаснее: такие сигналы сложнее перехватить.
• Медицина: Терагерцовое излучение безопаснее рентгена и способно выявлять опухоли на ранних стадиях. Компактные сканеры на основе этой технологии можно встроить даже в смартфоны.
• Энергоэффективность: Управление спинами без магнитного поля сократит энергопотребление процессоров, что критично для дата-центров и IoT-устройств.

Однако до массового внедрения предстоит решить проблему стабильности материалов при комнатной температуре.

Главный вопрос — масштабируемость. Устройство работает в идеальных лабораторных условиях, но как оно поведет себя в реальных микросхемах, где есть тепловые шумы и дефекты структуры? Кроме того, пока неясно, можно ли добиться аналогичной точности управления в более сложных материалах, например, мультиферроиках.

Ранее ученые нашли способ управлять орбитальным моментом электронов.