Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые продемонстрировали новую форму магнетизма, которая может быть использована для создания более быстрых, компактных и энергоэффективных устройств памяти — спинтроников.
Новая форма магнитного состояния
Новое магнитное состояние представляет собой сочетание двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма обычных магнитов 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, как множество крошечных компасов, указывающих в одном направлении. Это выравнивание спинов генерирует магнитное поле, которое придаёт ферромагнетику его свойства.
В антиферромагнетиках спины электронов также присутствуют, но они чередуются, с электронами, окружающими соседние атомы, выравнивающими свои спины антипараллельно друг другу. В результате равные и противоположные спины нейтрализуются, и антиферромагнетик не проявляет макроскопической намагниченности.
Открытие p-волнового магнетизма
Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в йодиде никеля (NiI₂), двумерном кристаллическом материале, который они синтезировали в лаборатории.
Электроны в йодиде никеля демонстрируют предпочтительную ориентацию спина, как в ферромагнетике, и, подобно антиферромагнетику, равные популяции противоположных спинов приводят к их взаимной нейтрализации. Однако спины на атомах никеля образуют уникальный узор, формируя спиралевидные конфигурации внутри материала, которые являются зеркальными отображениями друг друга.
Исследователи обнаружили, что эта спиральная конфигурация спинов позволяет им осуществлять «переключение спинов». В зависимости от направления спирального вращения в материале они могут применять небольшое электрическое поле в соответствующем направлении, чтобы легко переключить левостороннюю спираль спинов в правостороннюю и наоборот.
Перспективы спинтроники
Способность переключать спины электронов лежит в основе спинтроники, которая является альтернативой традиционной электронике. С помощью этого подхода 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.
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 на атомах йода — нет.
В этих 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 Коминь понятия не имел, что этот уникальный узор атомных спинов может обеспечить точное переключение спинов в окружающих электронах. Эта возможность была позже поднята сотрудником Рафаэлем Фернандесом, который вместе с другими теоретиками был заинтригован недавно предложенной идеей о новом, нетрадиционном «p-волновом» магните, в котором электроны, движущиеся в противоположных направлениях в материале, имели бы спины, выровненные в противоположных направлениях.
Ток спинов
Для своего нового исследования команда синтезировала монокристаллические чешуйки йодида никеля, сначала осаждая порошки соответствующих элементов на кристаллическую подложку, которую они помещали 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 Коминь. «Затем мы отшелушиваем материал, отделяя ещё более мелкие чешуйки, каждая 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 каждой чешуйке пучок циркулярно поляризованного света — света, который создаёт электрическое поле, вращающееся в определённом направлении, например, по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Они рассуждали так: если электроны, движущиеся по спирали, 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 обнаружила группа. В экспериментах с несколькими чешуйками йодида никеля исследователи непосредственно наблюдали, что направление спина электрона коррелировало с хиральностью света, используемого для возбуждения этих электронов. Это явный признак p-волнового магнетизма, впервые наблюдаемого в экспериментах.
Идя ещё дальше, они попытались выяснить, смогут ли они переключить спины электронов, применив электрическое поле или небольшое напряжение вдоль разных направлений через материал. Они обнаружили, что когда направление электрического поля совпадает с направлением спиральной спирали, эффект переключает электроны вдоль маршрута, заставляя их вращаться в одном направлении, создавая ток электронов с одинаковым вращением.
«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 Коминь. «Эти спинтронические эффекты более эффективны, чем традиционная электроника, потому что вы просто перемещаете спины, а не заряды. Это означает, что вы не подвержены каким-либо диссипативным эффектам, которые генерируют тепло, что, по сути, является причиной нагрева компьютеров».
«Нам нужно всего лишь небольшое электрическое поле, чтобы контролировать это магнитное переключение», — добавляет Сун. «P-волновые магниты могут сэкономить пять порядков величины энергии. Это огромная цифра».
Дальнейшие исследования
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 Коминь. «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 спинтронику».
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Управлением научных исследований ВВС.
Статья: «Электрическое переключение p-волнового магнита».