В новом исследовании учёные из Университета Миннесоты в 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, которое обычно известно своим металлическим, но немагнитным поведением. Применяя 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 в любом оксиде, конкурирующий даже с элементарными металлами и двумерными материалами, уступая только графену», — сказал Бхарат Джалал, старший автор исследования и профессор кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты.
«Более того, это одно из первых экспериментальных подтверждений альтермагнитного состояния в ультратонком RuO₂ — нового и захватывающего класса магнитных материалов».
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 химической инженерии и материаловедения и первый автор статьи. «Это может иметь серьёзные последствия для разработки более компактных, быстрых и энергоэффективных технологий, непосредственно относящихся к искусственному интеллекту».
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 такое альтермагнитное поведение».
Команда планирует продолжить изучение того, как комбинации деформации и слоёв 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, приняли участие Жифэй Ян, Сриджит Наир, Рашми Чоудхари и Джухи Парих из Департамента химической инженерии и материаловедения; а также Сонгджун Ли из Департамента электротехники и вычислительной техники. Это исследование проводилось в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Научно-техническим институтом Кванджу и Университетом Сонгюнкван.
Предоставлено [Университетом Миннесоты](https://phys.org/partners/university-of-minnesota/).
Новый фильтр для инфракрасного света обещает удешевить и уменьшить размер сканирующих и скрининговых технологий
Новый фильтр для инфракрасного света может привести к снижению цен и размеров сканирующих и скрининговых технологий. Построенная на нанотехнологиях, новая теплонастраиваемая технология обещает ручные, надёжные технологии для замены существующих настольных установок инфракрасной спектроскопии, которые громоздки, тяжелы и стоят от 10 000 долларов 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.
«Средний инфракрасный диапазон готов 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 дорогие. 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 сортировка 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).
Спектроскопия основана на разделении [источника света](https://phys.org/tags/light+source) на спектр, что обычно делается с помощью решётки или призмы для распределения [инфракрасного света](https://phys.org/tags/infrared+light): различные части спектра направляются в образец путём наклона решётки вперёд и назад.
Для надёжности команда TMOS вместо этого выбрала неподвижный компонент для выбора определённых частей инфракрасного спектра в виде полосового фильтра. Опираясь на другие исследования в рамках TMOS, в которых использовалось нагревание для изменения поведения компонентов, 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 давали лучшие спектральные свойства, они были чувствительны к поляризации света, тогда как двумерный перекрёстный узор — нет.
Затем Рассел создал прототипы обоих, тщательно вытравливая узор на готовой кремниево-сапфировой пластине — что потребовало нескольких повторений, поскольку он сначала недооценил скорость травления.
Конечно же, 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 иметь практическое применение 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 прозрачного перерабатываемого пластика разного состава, LDPE и PET.
«Люди, занимающиеся [мониторингом окружающей среды](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 ещё на один шаг», — заявляют исследователи.
Предоставлено [RC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS)](https://phys.org/partners/rc-centre-of-excellence-for-transformative-meta-optical-systems-tmos/).