Инженеры из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне совершили прорыв, установив глубокую математическую связь между двумя, казалось бы, не связанными областями физики – электроникой двумерных материалов и магнетизмом. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, демонстрирует, что специально спроектированные магнитные системы могут описываться теми же уравнениями, что и движение электронов в графене. Это открытие не только открывает новые горизонты для фундаментальной науки, но и обещает революцию в создании радиочастотных устройств.
Двумерные материалы, такие как графен, уже давно привлекают внимание ученых благодаря своим уникальным электронным свойствам. Однако до сих пор их электронное и магнитное поведение рассматривались как отдельные явления. Новая работа показывает, что это не так. «Совсем не очевидно, что между 2D-электроникой и 2D-магнетизмом существует аналогия, и мы до сих пор поражены, насколько хорошо она работает», – отмечает ведущий автор исследования Бобби Каман. По его словам, теперь хорошо изученные физические законы графена можно применить к менее исследованному классу магнитных материалов.
Вдохновением для ученых послужили метаматериалы – структуры, чьи свойства определяются не столько химическим составом, сколько их особой геометрией. Исследователи задались вопросом: если заставить магнонный материал – среду, в которой распространяются волны намагниченности (спиновые волны), – выглядеть как графен, будет ли он вести себя так же? Для проверки этой гипотезы была смоделирована тонкая магнитная пленка, в которой проделали крошечные отверстия, расположенные в виде гексагональной решетки, повторяющей структуру атомов углерода в графене.
Результаты превзошли все ожидания. Расчеты показали, что математическое поведение спиновых волн в этой системе практически полностью совпадает с поведением электронов в графене. Более того, система оказалась сложнее, чем предполагалось, и продемонстрировала девять различных энергетических зон, что позволяет одновременно существовать нескольким типам волнового поведения. Это открытие дает физикам мощный инструмент для понимания и целенаправленного проектирования материалов с заданными магнитными свойствами.
Помимо фундаментальной значимости, работа имеет и прямое практическое применение. Команда считает, что их система может лечь в основу создания миниатюрных микроволновых устройств, используемых в сотовой и беспроводной связи. Например, так называемые «микроволновые циркуляторы», которые пропускают сигнал только в одном направлении, сегодня довольно громоздки. Новая технология позволит уменьшить их до микрометрового масштаба. Исследовательская группа уже подала патентную заявку на свои разработки, что подчеркивает их высокий технологический потенциал.
