Ученые из МФТИ знают, как не потерять сигнал в магнонных схемах

Исследователи из Московского физико-технического института, Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета показали, что соединительные элементы в электронных схемах магнонной логики очень важны: неудачный волновод может привести к потере сигнала. Ученые построили параметрическую модель, которая позволяет моделировать подходящий волновод, не приводящий к потере сигнала, создали прототип волновода и проверили экспериментально правильность модели. Статья опубликована в Journal of Applied Physics.

Глобальная задача исследователей, занимающихся магнонной логикой, — это создание альтернативной схемотехники, совместимой с существующей электроникой. То есть нужно сделать так, чтобы к имеющимся устройствам можно было добавлять принципиально новые элементы. Например, более быстродействующие процессоры с низким энергопотреблением.

При проектировании новых устройств необходимо соединять различные элементы друг с другом, как и в обычной схемотехнике. Но в магнонной вместо проводов используются магнитные волноводы. Ранее предполагали, что волноводы могут немного влиять на снижение интенсивности при передаче сигнала от элемента к элементу.

Исследователи из МФТИ, ИРЭ и СГУ показали, что влияние соединительных элементов более значимо. Если не угадать с параметрами геометрии, весь сигнал может быть потерян. Основная причина этого — интерференция спиновых волн. Ведь волноводы очень маленькие — порядка десятков нанометров, в таких масштабах надо учитывать квантовые свойства сигнала.

Ученые решали оптимизационную задачу: как построить наиболее эффективный волновод для устройств магнонной логики. Они создали теорию и математическую модель, описывающую распространение волн в наноразмерных волноводах. Для этого Дмитрий Калябин, ответственный исполнитель лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ, адаптировал ранее существовавшие в коллективе наработки для акустики на случай магнитных волн.

Его коллегам из Саратова удалось создать прототип и с помощью Бриллюэновской спектроскопии* показать, что расчеты московского исследователя оказались верны.

«Изначально мы предполагали построить модель, по которой можно посчитать пропускные характеристики волновода перед его созданием. Мы думали, что оптимизация формы волновода улучшит КПД передачи сигнала. А в ходе исследования оказалось, что влияние интерференции более существенно: если параметры окажутся неудачными, сигнал может не передаваться вовсе», — рассказал Сергей Никитов, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией терагерцовой спинтроники МФТИ.

Хотя в статье исследователи продемонстрировали работу модели на примере прямого случая, ее можно применять и для описания всего спектра существующих сегодня волноводов.

*С помощью Бриллюэновской спектроскопии можно сделать «фотографию» распределения намагниченности в образце после того, как на него светили лазером. Полученное распределение можно сравнить с теоретически рассчитанным.