Терагерцовые (ТГц) спиновые устройства представляют собой класс систем, использующих коллективное движение спинов в магнитных материалах для генерации, управления и детектирования электромагнитных волн в диапазоне 0,1–10 ТГц. Основой таких устройств служат спиновые волны (магноны) и динамика магнетизации, описываемая уравнением Ландау–Лифшица–Гилберта (LLG).
Уравнение Ландау–Лифшица–Гилберта (LLG):
$$ \frac{d\mathbf{M}}{dt} = -\gamma \mathbf{M} \times \mathbf{H}_{\rm eff} + \frac{\alpha}{M_s} \mathbf{M} \times \frac{d\mathbf{M}}{dt}, $$
где M — вектор магнетизации, $\mathbf{H}_{\rm eff}$ — эффективное магнитное поле, γ — гиромагнитное отношение, α — коэффициент демпфирования, Ms — насыщенная магнетизация. Первый член описывает прецессию спина вокруг эффективного поля, второй — затухание колебаний.
Ключевой момент: для генерации ТГц сигналов требуется высокая частота прецессии, что достигается использованием тонких пленок ферримагнетиков с высокой антипараллельной спиновой связью и значительной магнитной анизотропией.
ТГц спиновые осцилляторы основаны на вынужденной прецессии спинов с частотой, близкой к ТГц. Основные типы:
Туннельные магнитные осцилляторы (STO – spin-torque oscillators) Используют эффект спинового переноса момента (spin-transfer torque). При протекании тока через магнитный слой с ненасыщенной спиновой поляризацией возникает дополнительный момент, способный возбуждать предельные колебания магнетизации.
Ключевой момент: частота генерации регулируется внешним магнитным полем и плотностью тока. Для ТГц диапазона применяют ферримагнитные материалы с высокой частотой Ферромагнитного резонанса (FMR).
Антиферромагнитные осцилляторы В отличие от ферромагнитных систем, антиферромагнетики имеют колебательные моды с частотами в ТГц диапазоне, обусловленные сильной внутренней обменно-связанной динамикой.
Преимущество: возможность генерации устойчивого сигнала без внешнего поля, высокая скорость отклика и низкое энергопотребление.
Методы возбуждения спиновых волн в ТГц диапазоне:
Детектирование: реализуется через преобразование колебаний магнетизации обратно в электрический сигнал (inverse spin-Hall effect) или через электромагнитное излучение, индуцируемое осцилляциями магнитного диполя.
Ключевой момент: эффективность генерации и детектирования напрямую связана с демпфированием материала (α) и плотностью спиновой поляризации.
Для повышения контроля над спиновыми волнами используются искусственные структуры — спиновые метаматериалы. Они позволяют:
Примеры конструкций: периодические ферримагнитные решетки, антиферромагнитные суперрешетки, ферромагнитные наностержни.
Ключевой момент: правильная геометрия метаматериала позволяет настроить частоту магнонных модов на ТГц диапазон с высокой селективностью.
ТГц спиновые устройства обладают низким энергопотреблением за счет:
Проблемы масштабирования: уменьшение размеров осцилляторов ведет к увеличению демпфирования и шумов, что требует оптимизации структуры и материала.