Ученые МФТИ совместно с коллегами из Университета Шэньчжэня (Китай) первыми представили уникальный материал с настраиваемым субтерагерцовым поглощением. Он представляет собой сверхплотную керамику из гексаферрита стронция и может применяться в сверхбыстрой электронике нового поколения. Результаты работы представлены в международном научном журнале Material Horizons.
Терагерцовые волны представляют большой интерес, в первую очередь для радиолокационных и телекоммуникационных применений, а также для построения сетей 6G и 7G. Из‑за малой энергии квантов терагерцовое излучение является неионизирующим и относительно безопасным для человека, поэтому оно может использоваться для томографии и других медицинских исследований.
Так как энергия терагерцового фотона на девять порядков меньше энергии рентгеновского излучения, а из‑за малого рэлеевского рассеяния изображение в терагерцовых лучах для биосред является более контрастным по сравнению с изображениями, полученными на инфракрасных и оптических волнах, ТГц‑волны могут использоваться вместо рентгеновского излучения для диагностики живых организмов.
Развитие современных телекоммуникационных систем смещает используемые несущие частоты в миллиметровый или субтерагерцовый диапазон. Это может обеспечить более высокую скорость и эффективность передачи данных. Чтобы разработать беспроводную связь для устройств следующих поколений (например, для технологий 6G, 7G и Wi-Fi), нужны новые современные материалы, которые могут специфично взаимодействовать с электромагнитным излучением этого диапазона.
В частности, для защиты окружающей среды от нежелательного воздействия и подавления шума и помех в системе необходимы поглотители электромагнитных волн. Кроме того, растет потребность в переключателях, которые могут управлять и трансформировать электромагнитные волны.
«Магнитные диэлектрики, такие как ферриты – это материалы, способные избирательно поглощать электромагнитное излучение за счет эффекта естественного (то есть в нулевом внешнем магнитном поле) ферромагнитного резонанса. Вдобавок к таким “традиционным” сценариям использования материалов с резонансами в терагерцовом диапазоне, недавно было показано, что магнитные резонансы в диэлектриках с высоким внутренним полем анизотропии могут использоваться для высокоэффективной генерации спиновых токов за счет возбуждения резонансов терагерцевыми волнами.
При этом не требуется приложения внешних магнитных полей и охлаждения, что открывает возможность практического использования этого эффекта в высокочастотной электронике, например, в терагерцевых детекторах и генераторах. С экономической точки зрения, а также за счет высоких магнитных характеристик при комнатной температуре, самым перспективным материалом для развития в данном направлении является гексаферрит М-типа. Для практического применения важно, чтобы материал был монолитным, поэтому, в частности, целью данного исследования стала разработка синтеза плотной керамики на основе гексаферрита с сохранением выдающихся магнитных свойств данной фазы», – рассказал Евгений Горбачев, старший преподаватель факультета наук о материалах МГУ-ППИ в Шэньчжэне.
Команда ученых МФТИ совместно с коллегами из совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне впервые синтезировала магнитные изоляторы на основе гексаферрита с настраиваемым субтерагерцевым поглощением и изучили возможность настройки ферромагнитного резонанса магнитным полем и температурой.
«Материалы представляют собой высокоплотную керамику из Ca–Al-замещенных гексаферритов стронция, сохраняющую высокую коэрцитивную силу в интервале температур 5–300 К и обладающую ферромагнитным резонансным поглощением в субтерагерцевом диапазоне (130–200 ГГц). Впервые было показано, что устойчивость к перемагничиванию в магнитных полях до 20 и 10 кЭ позволяет осуществлять обратимую регулировку частоты ферромагнитного резонанса магнитным полем. Поглощение изначально не намагниченного образца уменьшается в магнитном поле и полностью выключается уже при 5 кЭ, тогда как в предварительно намагниченной керамике линия смещается со скоростью 2.2 ГГц кЭ-1», – рассказала соавтор разработки, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Людмила Алябьева.
По словам разработчиков, синтез проводился аналогично предыдущим работам на субмикронных частицах и керамике из Al-замещенных гексаферритов.
Созданная магнитоактивная керамика высокой плотности станет незаменимым материалом для оптических детекторов, переключателей, поглотителей и т. п., работающих на субтерагерцовых частотах и в широком диапазоне температур и магнитных полей.
