Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые продемонстрировали новую форму магнетизма, которая может быть использована для создания более быстрых, компактных и энергоэффективных устройств памяти — спинтроники.
Новое магнитное состояние
Новое магнитное состояние представляет собой сочетание двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма, характерного для обычных магнитов на холодильник и стрелок компаса, и антиферромагнетизма, при котором материалы имеют магнитные свойства на микроуровне, но не обладают макроскопической намагниченностью.
Команда MIT продемонстрировала новую форму магнетизма, названную «p-волновым магнетизмом».
В ферромагнетиках электроны атомов имеют одинаковую ориентацию спина, подобно множеству крошечных компасов, указывающих в одном направлении. Это выравнивание спинов генерирует магнитное поле, которое придаёт ферромагнетику его характерный магнетизм.
В антиферромагнетиках спины электронов также присутствуют, но они чередуются, с электронами, вращающимися вокруг соседних атомов, выравнивающими свои спины антипараллельно друг другу. В результате равные и противоположные спины компенсируют друг друга, и антиферромагнетик не проявляет макроскопической намагниченности.
Открытие p-волнового магнетизма
Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в двумерном кристаллическом материале — йодиде никеля (NiI2), который они синтезировали в лаборатории.
Подобно ферромагнетику, электроны в этом материале имеют предпочтительную ориентацию спина, и, подобно антиферромагнетику, равные популяции противоположных спинов приводят к их взаимной компенсации. Однако спины на атомах никеля образуют уникальный узор, формируя спиралевидные конфигурации внутри материала, которые являются зеркальными отражениями друг друга.
Исследователи обнаружили, что эта спиральная конфигурация спинов позволила им осуществить «переключение спинов». В зависимости от направления спирального вращения спинов в материале они могли применить небольшое электрическое поле в соответствующем направлении, чтобы легко превратить спираль спинов с левой ориентацией в спираль спинов с правой ориентацией и наоборот.
Спинтроника
Способность переключать спины электронов лежит в основе спинтроники — предложенной альтернативы традиционной электронике. При таком подходе данные могут быть записаны в виде спина электрона, а не его электронного заряда, что потенциально позволяет упаковывать на устройстве на порядки больше данных, используя при этом гораздо меньше энергии для записи и чтения этих данных.
«Мы показали, что этой новой формой магнетизма можно управлять электрически», — говорит Цянь Сун, научный сотрудник Лаборатории исследований материалов MIT. «Этот прорыв прокладывает путь для нового класса сверхбыстрых, компактных, энергоэффективных и энергонезависимых устройств магнитной памяти».
Сун и его коллеги опубликовали свои результаты 28 мая в журнале Nature. Соавторами из MIT являются Коннор Окчиалини, Батыр Ильяс, Эмре Эргечен, Нух Гедик, Риккардо Комин, а также Рафаэль Фернандес из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и сотрудники из других учреждений.
Связь между точками
Открытие расширяет работу группы Коминя в 2022 году. В то время команда исследовала магнитные свойства того же материала — йодида никеля. На микроскопическом уровне йодид никеля напоминает треугольную решётку атомов никеля и йода. Никель является основным магнитным компонентом материала, поскольку электроны на атомах никеля имеют спин, в то время как электроны на атомах йода — нет.
В тех экспериментах команда обнаружила, что спины атомов никеля были расположены по спирали по всему материалу, и эта спираль могла иметь две разные ориентации.
В то время Комин не подозревал, что эта уникальная структура спинов атомов может обеспечить точное переключение спинов в окружающих электронах. Эта возможность была позже поднята коллегой Рафаэлем Фернандесом, который вместе с другими теоретиками был заинтригован недавно предложенной идеей о новом, нетрадиционном «p-волновом» магнетике, в котором электроны, движущиеся в противоположных направлениях в материале, имели бы спины, выровненные в противоположных направлениях.
Ток спина
Для своего нового исследования команда синтезировала монокристаллические хлопья йодида никеля, сначала осаждая порошки соответствующих элементов на кристаллическую подложку, которую они поместили в высокотемпературную печь. Процесс заставляет элементы оседать слоями, каждый из которых микроскопически расположен в треугольной решётке атомов никеля и йода.
«То, что выходит из печи, — это образцы шириной в несколько миллиметров и тонкие, как крекер», — говорит Комин. «Затем мы отшелушиваем материал, отделяя ещё более мелкие хлопья, каждый шириной в несколько микрон и толщиной в несколько десятков нанометров».
Исследователи хотели знать, действительно ли спиральная геометрия спинов атомов никеля заставит электроны, движущиеся в противоположных направлениях, иметь противоположные спины, как ожидал Фернандес. Для наблюдения этого группа применила к каждому слою пучок циркулярно поляризованного света — света, который создаёт электрическое поле, вращающееся в определённом направлении, например, по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Они рассудили, что если движущиеся электроны, взаимодействующие со спиральными спинами, имеют спин, выровненный в одном направлении, то входящий свет, поляризованный в том же направлении, должен резонировать и создавать характерный сигнал. Такой сигнал подтвердил бы, что спины движущихся электронов выравниваются из-за спиральной конфигурации, и, кроме того, что материал действительно проявляет p-волновой магнетизм.
И действительно, именно это и обнаружили исследователи. В экспериментах с несколькими хлопьями йодида никеля учёные непосредственно наблюдали, что направление спина электрона коррелировало с хиральностью света, использованного для возбуждения этих электронов. Это характерный признак p-волнового магнетизма, впервые наблюдаемого в экспериментах.
Сделав шаг вперёд, они попытались выяснить, смогут ли они переключить спины электронов, применив электрическое поле или небольшое напряжение в разных направлениях через материал. Они обнаружили, что, когда направление электрического поля совпадало с направлением спиральной спирали, эффект переключал электроны вдоль маршрута для вращения в одном направлении, создавая ток одинаково вращающихся электронов.
«С таким током спина вы можете делать интересные вещи на уровне устройства, например, вы можете перевернуть магнитные домены, которые можно использовать для управления магнитным битом», — объясняет Комин. «Эти спинтронические эффекты более эффективны, чем традиционная электроника, потому что вы просто перемещаете спины, а не заряды. Это означает, что вы не подвержены никаким диссипативным эффектам, которые генерируют тепло, что, по сути, является причиной того, что компьютеры нагреваются».
«Нам нужно всего лишь небольшое электрическое поле, чтобы управлять этим магнитным переключением», — добавляет Сун. «P-волновые магниты могут сэкономить пять порядков величины энергии. Это огромная цифра».
«Мы в восторге от того, что эти передовые эксперименты подтверждают наше предсказание о p-волновых спин-поляризованных состояниях», — говорит Либор Шмейкал, руководитель исследовательской группы Макса Планка в Дрездене, Германия, который является одним из авторов теоретической работы, предложившей концепцию p-волнового магнетизма, но не участвовал в новой статье. «Демонстрация электрически переключаемой p-волновой спин-поляризации также подчёркивает перспективность применения нетрадиционных магнитных состояний».
Команда наблюдала p-волновой магнетизм во флаконах йодида никеля только при ультрахолодных температурах около 60 кельвинов.
«Это ниже температуры жидкого азота, что не обязательно практично для применения», — говорит Комин. «Но теперь, когда мы реализовали это новое состояние магнетизма, следующим шагом является поиск материала с этими свойствами при комнатной температуре. Тогда мы сможем применить это к спинтроническому устройству».
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Управлением научных исследований ВВС.
Статья: «Электрическое переключение p-волнового магнита».