Прорыв в электронике: новое исследование магнитной керамики

Исследователи из Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, МФТИ и их иностранные коллеги разработали новый вид магнитной керамики и исследовали ее свойства. Этот материал обладает уникальными характеристиками, подходящими для применения в терагерцовой электронике, что открывает новые возможности в таких областях, как связь, медицина, безопасность, астрофизика и создание новых измерительных приборов.

Работа, опубликованная в журнале Materials Horizons, раскрывает квантовую природу магнетизма, основывающегося на спиновом магнитном моменте электронов. В упорядоченных магнитных материалах эти спиновые моменты создают общий магнитный момент, что позволяет материалу взаимодействовать с внешним магнитным полем.

Магнитные материалы делятся на две категории: магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие легко изменяют ориентацию спинов, тогда как магнитотвердые сохраняют свою намагниченность даже в сильных магнитных полях. Коэрцитивная сила определяет способность материала сопротивляться размагничиванию: для магнитомягких материалов она невысока, что делает их идеальными для применения в сердечниках трансформаторов. Магнитотвердые материалы, наоборот, обладают высокой коэрцитивной силой и используются в электродвигателях и генераторах, а также в современных магнитных лентах для хранения данных.

На протяжении последних десятилетий активно ведутся исследования по созданию мощных и стабильных магнитных материалов для терагерцовой электроники. Ферритовая керамика является более дешевой и устойчивой к коррозии альтернативой неодимовым магнитам, что делает её привлекательной для практического применения.

В новой работе Евгений Горбачев и его коллеги создали плотную керамику гексаферрита со сложным химическим составом, включающим стронций, кальций, железо, алюминий и кислород. Эти добавки обеспечивают сохранение высокой магнитотвердости керамики даже при плотной структуре. Впервые были изучены ее магнитостатические и магнитодинамические свойства в широком температурном диапазоне — от гелиевых до комнатных температур. Выяснилось, что керамика сохраняет свои высокие магнитные свойства во всем диапазоне температур, что важно для ее практического использования.

Ученые сначала получили порошок гексаферрита при температуре 1200 градусов Цельсия, затем обжигали его при 1300 и 1400 градусах Цельсия, превращая в керамику. После этого материал охлаждали и исследовали его свойства. В ходе экспериментов было обнаружено, что при намагничивании керамика начинает меньше поглощать энергию на определённых частотах, что уменьшает энергетические потери.

Высокая коэрцитивная сила материала позволяет проводить обратимую настройку частоты ферромагнитного резонанса (ФМР) в широком диапазоне. Это свойство важно для работы с частотами, используемыми в стандарте 5G и перспективных 6G. Магнитотвердая керамика способна функционировать на частотах, превышающих возможности существующих технологий, что открывает новые горизонты для телекоммуникаций будущего.

Слоистые структуры «магнитный изолятор / металл» могут использоваться как детекторы или генераторы высокочастотного излучения. Эффективное преобразование электромагнитной волны в спиновый ток и разность потенциалов позволяют создать устройства с высоким КПД, работающие без внешнего магнитного поля.

Эти исследования открывают новые возможности для промышленного применения диэлектрических ферримагнетиков в терагерцовой электронике и спинтронике. Работу поддержали коллеги из МГУ-ППИ в Шэньчжэне, Института физики университета Штутгарта и Национального научного центра Великобритании по изучению источников синхротронного света.

Современные разработки магнитной керамики обещают значительные прорывы в различных областях науки и техники, подчеркивая важность международного научного сотрудничества и междисциплинарных исследований.

Источник: Ученые создали новый вид магнитной керамики — Naked Science