Группа учёных разработала новый способ создания магнитных оптических материалов, который устраняет давнее узкое место в проектировании и может повысить скорость и эффективность связи в центрах обработки данных. Для создания наномасштабных магнитных узоров, напоминающих лабиринты, был использован метод ионно-лучевого распыления. Эти узоры надёжно формируются независимо от деформации подложки.
Участники исследования
В группу вошли исследователи из Университета Тохоку, Технологического университета Тоёхаси, компании Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. и Массачусетского технологического института (MIT). Их результаты [опубликованы](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaom.5c00496) в журнале ACS Applied Optical Materials.
Роль магнитных гранатовых плёнок
Центры обработки данных используют оптическую связь для передачи огромных объёмов информации, подобно тому как автомагистрали перевозят потоки высокоскоростного трафика. Магнитные гранатовые плёнки, особенно плёнка с церием, замещающим иттрий-железный гранат (Ce:YIG), действуют как сигналы и переключатели на этих оптических магистралях, обеспечивая бесперебойный поток информации в правильном направлении.
Преодоление ограничений
Ключевым свойством для этих компонентов является перпендикулярная магнитная анизотропия, при которой намагниченность плёнки направлена прямо «вверх» от поверхности. Однако до сих пор достижение этого было сложной задачей: исследователи должны были тщательно согласовывать кристаллическую решётку плёнки и подложки.
Команда преодолела это ограничение, используя ионно-лучевое распыление для нанесения плёнок Ce:YIG на две разные подложки, которые создавали противоположные типы деформации. Удивительно, но обе плёнки по-прежнему демонстрировали сильную перпендикулярную магнитную анизотропию, несмотря на несоответствие их решёток (+0,38% и −0,12%), которое должно было привести к противоположным результатам.
Прорыв произошёл после того, как был обнаружен реальный фактор, определяющий магнитное поведение плёнок: магнитотаксиальная анизотропия — эффект, связанный с ростом и обусловленный расположением атомов во время нанесения. Проще говоря, атомная «конструкция» плёнки определяет магнитное направление гораздо сильнее, чем напряжение от подложки — более чем в 10 раз сильнее.
Результаты исследования
Плёнки также сформировали сложные магнитные домены лабиринтного типа шириной всего около 219 нм. Для сравнения, обычные домены имеют ширину 10–100 микрометров, что в десятки и сотни раз больше.
Материал продемонстрировал вращение Фарадея −1,05°/мкм при длине волны 1 064 нм, что примерно в 1,6 раза лучше, чем у обычных плёнок. Его низкое поле насыщения (70 мТл по сравнению с 140–240 мТл) означает, что для работы устройств можно использовать более компактные и энергоэффективные магниты, что снижает потребление энергии в крупномасштабных системах.
«Достигнув перпендикулярной магнитной анизотропии независимо от деформации подложки, мы устранили серьёзное ограничение в проектировании», — сказал доцент Тайчи Гото из Университета Тохоку. «Это открывает возможности для интеграции наших магнитных оптических материалов с другими материалами спинтроники и твердотельными оптическими устройствами, обеспечивая более быструю и стабильную связь в компактных системах, критически важных для центров обработки данных».
Результаты исследования могут ускорить разработку оптических изоляторов для телекоммуникаций, магнитооптических переключателей для центров обработки данных и новых приложений спинтроники.