Исследователи заставили магниты вести себя как графен

Команда ученых из США обнаружила фундаментальную математическую аналогию между поведением электронов в графене и спиновыми волнами в специально созданных двумерных магнитных системах. Создав тонкую магнитную пленку с гексагональной структурой отверстий (например, графен), они обнаружили, что магнитные «спиновые волны» следуют той же математической схеме, что и электроны в графене. Неожиданное совпадение открывает новый путь для изучения сложных магнитных материалов и создания миниатюрных микроволновых устройств.

Исследования специалистов Иллинойского университета в Урбана-Шампейн начались с открытия: оказалось, что как электроны в графене, так и микроскопические магнитные возбуждения (спиновые волны) в так называемых магнонных материалах ведут себя как волны. Это заставило их задаться вопросом: можно ли создать магнитную систему, которая математически ведет себя как графен?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые смоделировали тонкую магнитную пленку с отверстиями, расположенными в виде шестиугольного массива. Внутри этой структуры взаимодействуют микроскопические магнитные моменты (спины), порождающие распространяющиеся возмущения — спиновые волны. Расчеты энергий этих волн показывают удивительное сходство с поведением электронов в графене.

Система даже превзошла ожидания исследователей, пишет Science Daily: вместо простой аналогии «один к одному» исследователи определили девять различных энергетических зон. К ним относятся безмассовые спиновые волны (аналогичные электронным волнам в графене), зоны низкой дисперсии, связанные с локализованными состояниями, и топологические эффекты, охватывающие несколько зон одновременно.

«Известно, что кристаллы магнонов вызывают огромное разнообразие явлений, зависящих от структуры и геометрии, большинство из которых были каталогизированы, но так и не были полностью поняты», — объясняет Аксель Хофманн, один из исследователей. «Аналогия с графеном в этой системе дает четкое объяснение наблюдаемому поведению».

Практическое применение можно найти в микроволновой технологии беспроводной связи. В частности, «микроволновые циркуляторы«, которые передают сигнал только в одном направлении, обычно громоздки. Магнонная система позволила бы уменьшить масштаб этих устройств до микрометрового масштаба. На это изобретение уже подана заявка на патент.