В течение десятилетий ферромагнитные материалы лежали в основе таких технологий, как магнитные жёсткие диски, оперативная память с произвольным доступом и генераторы. Однако антиферромагнитные материалы, если научиться их использовать, обещают ещё больше: сверхбыструю передачу информации и связь на гораздо более высоких частотах — «священный грааль» для физиков.
Исследователи сделали значительный шаг к использованию антиферромагнетиков в новых технологиях. В статье «Обнаружение резонанса антиферромагнетиков с помощью спин-фильтрующего туннельного эффекта при электрически настраиваемом затухании» (Spin-filter tunneling detection of antiferromagnetic resonance with electrically-tunable damping), опубликованной в журнале Science, они описывают инновационный подход к обнаружению и управлению движением спинов внутри антиферромагнетиков с использованием двумерных антиферромагнитных материалов и туннельных переходов.
Как это работает
Оба типа материалов содержат атомы, которые ведут себя как крошечные индивидуальные магниты, каждый из которых имеет «спин». В ферромагните все эти атомные спины выровнены, создавая внешнее магнитное поле. В антиферромагнетике атомные спины компенсируют друг друга при сложении, поэтому внешнее магнитное поле не создаётся.
Ранее обнаружение динамики спинов в антиферромагнетиках происходило с использованием миллиметровых или более крупных образцов, «что не масштабируется до какого-либо полезного устройства», — сказал соавтор Дэн Ральф, профессор физики в Колледже искусств и наук и член Института Кавли в Корнелле.
«То, что мы сделали, — это создание устройств микрометрового масштаба, где мы можем видеть сильные сигналы, используя туннельные переходы для электрического обнаружения движений спинов — и это почти в тысячу раз меньше, чем было сделано раньше», — сказал Ральф.
Туннелирование — это своего рода квантово-механическое «просачивание» электрона через барьер, который классическая частица не смогла бы преодолеть. Это не прямой поток электронов, а проникновение волновой функции электрона при прохождении через барьер.
«Электроны могут вести себя странно», — сказал Ральф, добавив, что туннелирование — это распространённое устройство, используемое во всех видах технологий.
Когда спины в антиферромагнетике меняют своё направление внутри туннельного перехода, это изменяет электрическое сопротивление, связанное с туннелированием электронов, предоставляя способ измерения динамики спинов.
Это электрическое обнаружение работает на очень высоких скоростях. Большинство технологий не приспособлены для обнаружения на такой частоте.
«Это один из наших прорывов: мы используем это туннельное поведение, это квантово-механическое поведение электрона, для считывания этих чрезвычайно быстрых колебаний», — сказала соавтор Келли Луо, бывший постдок Института Кавли в Корнелле, а ныне доцент Университета Южной Калифорнии.
Их прорыв частично стал возможен благодаря объединению двух областей: двумерных материалов и спинтроники, также известной как спиновая электроника, — сказал ведущий автор Тхоу Мин Джеральд Чам, доктор философии.
Чтобы управлять спинами внутри двумерного антиферромагнетика, исследователи использовали механизм, известный как спин-орбитальный торк. Они пропускали заряд через материал, чтобы создать спин-ток, который может взаимодействовать с магнитом, прикладывая к нему крутящий момент и заставляя его двигаться.
«Мы в основном искали способ манипулировать спинами, чтобы мы могли обнаружить отдельные 2D-слои, и мы не могли различить, какой слой что делает. Затем мы придумали идею, где мы могли бы нарушить симметрию, скручивая слои», — сказал Чам, который сейчас является докторантом Калифорнийского технологического института.
«С такой геометрией мы можем использовать приложенные токи со спин-орбитальным торком, чтобы приложить силу только к одному из спиновых слоёв, а не к другому, — первый шаг к управлению динамикой спинов», — сказал Ральф.
«Наши исследования показывают, что антиферромагнитные материалы имеют большой потенциал для создания наноосцилляторов для высокочастотных приложений», — написали исследователи. Это направление они продолжают исследовать.
Другие соавторы: Сяоси Хуан, постдокторант в лаборатории Ральфа; Даниэль Г. Чика и Ксавье Рой, Колумбийский университет; а также Кендзи Ватанабэ и Такаси Танигучи, Национальный институт материаловедения, Япония.
Предоставлено Корнельским университетом.