В новом исследовании учёные из Университета Миннесоты в городе-близнеце (University of Minnesota Twin Cities) обнаружили удивительное магнитное поведение в одном из самых тонких когда-либо созданных материалов на основе оксида металла. Это может проложить путь к созданию нового поколения более быстрых и интеллектуальных устройств спинтроники и квантовых вычислений.
Исследование [опубликовано](https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500831122) в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Используя передовую технологию выращивания материалов — гибридную [молекулярно-лучевую эпитаксию](https://phys.org/tags/molecular+beam+epitaxy/), учёные создали ультратонкие слои RuO₂, соединения, известного своим металлическим, но немагнитным поведением. Применив эпитаксиальную деформацию к этим атомарно тонким слоям — подобно растяжению или сжатию резиновой ленты — они смогли индуцировать магнитные свойства в материале, который в противном случае немагнитен.
«Наша работа показывает, что RuO₂ не просто металлический на атомном уровне — это самый металлический материал, который мы наблюдали среди оксидов, он соперничает даже с элементарными металлами и двумерными материалами, уступая только графену», — сказал Бхарат Джалал, старший автор исследования и профессор кафедры химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты и обладатель кафедры Shell.
Одним из ключевых наблюдаемых магнитных эффектов является аномальный эффект Холла, при котором электрический ток искривляется в присутствии магнитного поля — важная особенность для устройств памяти и хранения данных нового поколения. Обычно этот эффект трудно достичь в металлическом RuO₂ и требует экстремальных магнитных полей, но исследователям удалось наблюдать его в ультратонком RuO₂ и при гораздо более слабых магнитных полях.
«Это захватывающе, потому что это не просто лабораторный курьёз — мы рассматриваем материал, который можно интегрировать в реальные устройства», — сказал Суннгё Чон, постдокторант кафедры химического машиностроения и материаловедения и первый автор статьи. «Это может иметь серьёзные последствия для разработки более компактных, быстрых и энергоэффективных технологий, непосредственно связанных с искусственным интеллектом».
Исследователи наблюдали магнитные эффекты в плёнках толщиной всего в две элементарные ячейки — это менее триллионной метра. И, несмотря на такую тонкость, материал оставался высокометаллическим и структурно стабильным.
«Это открытие показывает, как мы можем открыть совершенно новое поведение материалов, просто управляя ими на атомном уровне», — сказал Тони Лоу, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники и соавтор статьи. «Наши расчёты подтвердили, что деформация изменяет внутреннюю структуру RuO₂ именно таким образом, чтобы сделать возможным это альтермагнитное поведение».
Команда планирует продолжить изучение того, как комбинации деформации и слоистости могут быть использованы для создания новых свойств материалов. Их конечная цель — разработать платформенные материалы для будущих применений в квантовых вычислениях, спинтронике и маломощной электронике.
В исследовании, помимо Джалала, Чона и Лоу, участвовали Жизэй Ян, Сриджит Наир, Рашми Чоудхари и Джухи Парих из кафедры химического машиностроения и материаловедения; а также Сонгджун Ли из кафедры электротехники и вычислительной техники. Исследование проводилось в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Научно-исследовательским институтом науки и технологий в Кванджу и Университетом Сонгюнкван.
Новый фильтр для инфракрасного света обещает удешевить и уменьшить в размерах технологии сканирования и скрининга
Новый фильтр для инфракрасного света может привести к снижению цен и размеров технологий сканирования и скрининга. Построенный на основе нанотехнологий, новый теплорегулируемый фильтр обещает ручные, надёжные технологии для замены существующих настольных установок инфракрасной спектроскопии, которые громоздки, тяжелы и стоят от 10 000 до более чем 100 000 долларов.
Поскольку новая технология основана на [кремниевой технологии](https://phys.org/tags/silicon+technology), её производство можно масштабировать, что может снизить стоимость ниже 1 доллара за фильтр, заявили разработчики.
«Средняя инфракрасная область готова к технологическому развитию», — сказал профессор Кеннет Крозье, заместитель директора Центра передового опыта ARC по трансформационной метаоптике (TMOS), который возглавляет исследовательскую группу. «Существуют доступные высокопроизводительные системы, но они дороги. Эта более компактная, лёгкая, маломощная технология может открыть множество приложений; например, полевые испытания сельскохозяйственной продукции, такой как молоко и оливковое масло, а также сортировка и отбор переработанных материалов».
Исследование [опубликовано](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400853) в Laser and Photonics Reviews.
Многие материалы можно легко идентифицировать по тому, как они поглощают различные части инфракрасного спектра, поэтому [инфракрасная спектроскопия](https://phys.org/tags/infrared+spectroscopy) полезна для мониторинга загрязняющих веществ, например, в [промышленных процессах](https://phys.org/tags/industrial+processes).
Для надёжности команда TMOS выбрала в качестве компонента, выбирающего определённые части инфракрасного спектра, неподвижный элемент — полосовой фильтр. Опираясь на другие исследования в рамках TMOS, в которых для изменения поведения компонентов использовался нагрев, они разработали фильтр с температурно-зависимой длиной волны полосового пропускания. Это стало возможным благодаря изготовлению фильтра из кремния, показатель преломления которого плавно меняется в зависимости от температуры.
«Самое замечательное в этом то, что он очень стабилен и обратим», — сказал Бен Рассел, доктор философии, студент в TMOS.
Чтобы создать полосовое поведение из кремния, команда использовала метаповерхность — слой кремния толщиной примерно 1,5 микрона с массивом наноразмерных элементов, выгравированных в нём, на слое сапфира (Al₂O₃) толщиной 470 микрон.
Изначально Рассел смоделировал размеры метаповерхности, придумав два возможных решения: параллельные канавки глубиной 1 002 нм, расположенные на расстоянии 1 683 нм друг от друга, и перекрёстные канавки глубиной 1 060 нм и на расстоянии 1 684 нм друг от друга. Хотя параллельные канавки обеспечивали лучшие спектральные свойства, они были чувствительны к поляризации света, тогда как двумерный перекрёстный узор — нет.
Затем Рассел создал прототипы обоих, тщательно выгравировав узор на готовой кремниево-сапфировой пластине, что потребовало нескольких повторений, поскольку он изначально недооценил скорость травления.
Готовый прототип вёл себя так, как было смоделировано, демонстрируя линейное смещение длины волны на 80 нанометров в стандартных рабочих температурах от 25 °C до 420 °C. Более экстремальный нагрев и охлаждение до [криогенных температур](https://phys.org/tags/cryogenic+temperatures) увеличили это значение до 140 нм, хотя такие крайности вряд ли будут практически полезны в будущем.
При достижении стабильной температурной настройки команда проверила спектроскопические возможности фильтра на ряде повседневных предметов, например, успешно измерив полиимидную ленту и окно из селенида цинка. Они также были рады тому, что смогли легко различить два вида перерабатываемого пластика разного состава — LDPE и PET.
«Люди, занимающиеся [экологическим мониторингом](https://phys.org/tags/environmental+monitoring), сельским хозяйством, а также контролем и безопасностью промышленных процессов, уже понимают полезность портативных инструментов инфракрасной спектроскопии. Распространение компактных, недорогих и надёжных спектрометров станет благом, и наши результаты приближают нас к этой цели», — заявляют исследователи.