Представьте себе обычный электронный прибор. Он работает благодаря тому, что миллиарды крошечных частиц — электронов — бегут по проводам, перенося с собой электрический заряд. Это основа всей нашей электроники. Но у электронов есть и другая, скрытая характеристика — спин. Простыми словами, это собственный момент вращения частицы, некое внутреннее свойство, которое можно представить как стрелку компаса, указывающую либо вверх, либо вниз.

Спинтроника пытается использовать именно это свойство. Вместо того чтобы гонять заряженные частицы туда-сюда (что тратит энергию и греет провод), ученые хотят передавать информацию с помощью «чистого» потока спинов. Это как если бы по цепочке солдаты передавали команду „повернуть направо“, при этом сами оставаясь на месте. Такой поток и называют спиновым током. В мире физики эту команду передают не сами электроны, а особые волны — магноны. Они бегут по материалу, перенося с собой „команду“ изменить направление спина, но сам материал при этом остается неподвижным и электрически нейтральным.

Магнон — это не частица в привычном смысле слова, как пылинка или песчинка. Это то, что физики называют квазичастицей. Представьте себе длинную шеренгу людей, стоящих плечом к плечу. Если вы толкнете первого, он качнется и толкнет второго, тот — третьего, и по шеренге побежит волна. Сами люди остались на своих местах, но волна прошла. Вот эта волна и есть магнон. Только в мире физики «люди» — это атомы в кристаллической решетке, а их „качание“ — это изменение направления их магнитного момента (спина). Магнон — это, по сути, квант такой магнитной волны, минимальная порция энергии, которую эта волна может переносить. Он движется сквозь материал, перенося с собой информацию о „повороте“ спинов, не перемещая при этом сами атомы и их электрические заряды.

Главная проблема была в том, чтобы этот магнонный поток увидеть и измерить. Раньше это делали сложными обходными путями: магноны преобразовывали в электрический сигнал. Это как судить о содержимом посылки по форме коробки — вроде что-то понятно, но много деталей теряется.

Подробности опубликованы в издании Nature.

Команда ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Валентины Бизоньи пошла другим путем. Они использовали сверхточный рентгеновский метод под названием RIXS. Представьте, что вы хотите понять, как устроена морская волна. Можно просто смотреть на берег и видеть, как она набегает — это старый метод. А можно просветить воду специальным лазером и увидеть движение каждой молекулы. RIXS работает похоже: ученые «просветили» специальный материал (железо-иттриевый гранат) и увидели не просто факт наличия волны, а то, из каких именно магнонов она состоит, с какой энергией и импульсом они движутся.

Чтобы заставить магноны бежать, физики создали перепад температур: одну сторону материала нагрели, другую оставили холодной. Тепло начало перетекать, и вместе с ним побежали магноны, создав тот самый неуловимый спиновый ток. Это явление называется эффектом спинового Зеебека.

Самое интересное, что ученые смогли не просто увидеть магноны, но и измерить, как долго они живут до того, как рассеются и исчезнут. Время их жизни — критически важный параметр. Если магноны умирают слишком быстро, они не смогут далеко перенести информацию. Раньше это время рассчитывали теоретически, а теперь смогли измерить напрямую.

Это стало возможным благодаря настоящей инженерной смекалке. Мало иметь мощный рентгеновский микроскоп, нужно еще умудриться создать внутри него нужные условия — подвести к образцу тепло и холод. Исследователи собрали уникальную установку прямо внутри камеры прибора. Помогли им в этом коллеги из Японии, Англии и других научных центров. Один из теоретиков, Геррит Бауэр, даже признался, что это потрясающе — наконец-то увидеть воочию то, что он так долго описывал формулами.

Это открытие — только начало. Как говорят сами ученые, теперь они смогут изучать не только магноны, но и другие виды «бес-зарядного» переноса, например, с помощью фононов или плазмонов. Это открывает дорогу к созданию электроники будущего, которая будет быстрее, холоднее и не будет бояться магнитных полей.

Когда читаешь про магноны и рентген, может показаться, что это далеко от реальной жизни. Но давайте задумаемся, куда это может нас привести.

• Энергоэффективность. В наших компьютерах и смартфонах львиная доля энергии уходит на бесполезное тепло. Процессор греется, и мы ставим вентиляторы, чтобы его охладить. Спиновые токи, в отличие от электрических, не греют материал. Если мы научимся управлять ими так же ловко, как электричеством, мы получим технику, которая будет потреблять в разы меньше энергии. Ваш ноутбук сможет работать без розетки не 5 часов, а сутки, и при этом оставаться холодным.
• Память будущего. Жесткие диски и флеш-память хранят информацию благодаря намагниченности. Спинтроника позволяет не только хранить, но и обрабатывать информацию с помощью тех же спинов. Это значит, что данные можно будет записывать и считывать практически мгновенно. Представьте, что ваш телефон включается за секунду, а игры грузятся мгновенно.
• Новые материалы. Исследование показывает, как именно «живут» и „умирают“ магноны в идеальном кристалле. Это фундаментальное знание. Как только мы поймем законы их движения, мы сможем создавать искусственные материалы, где эти волны будут распространяться максимально далеко и быстро. Это как строить идеальное шоссе для потока информации.

Проще говоря, это исследование — шаг к тому, чтобы наша электроника перестала быть «горячей и медлительной» и стала „холодной и быстрой“.

Нужно понимать, что эксперимент проводился в очень специфических и идеальных условиях. Ученые использовали монокристалл железо-иттриевого граната — материал, который считается «золотым стандартом» для таких исследований из-за своих уникальных свойств. Он практически не имеет дефектов, и магноны в нем живут относительно долго.

В реальных же электронных устройствах используются тонкие пленки, нанесенные на разные подложки, с примесями и дефектами структуры. То, что отлично работает в идеальном кристалле при облучении синхротроном, может совершенно по-другому вести себя в реальном чипе. Измерение времени жизни магнонов в идеальных условиях — это, безусловно, прорыв. Но применимость этих точных цифр к реальным промышленным образцам пока под вопросом. Авторы и сами это признают, планируя следующие эксперименты как раз на тонких пленках. Пока это лишь доказательство концепции, а не готовый рецепт для производства.

Ранее ученые разработали новый метод изучения магнонов.