На протяжении десятилетий ферромагнитные материалы лежат в основе таких технологий, как магнитные жёсткие диски, магнитные оперативные запоминающие устройства 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-фильтра и электрически настраиваемого затухания» (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.
Атомы как магниты
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.
Преодоление трудностей
Ранее обнаружение динамики спинов в антиферромагнетиках происходило с использованием миллиметровых или более крупных образцов, «что не подходит для масштабирования до какого-либо полезного устройства», — сказал соавтор Дэн Ральф, профессор физики в Колледже искусств и наук и член Института Кавли в Корнелле.
«Мы создали устройства микрометрового масштаба, где мы можем видеть сильные сигналы, используя туннельные переходы для обнаружения спиновых движений электрически — и это почти в тысячу раз меньше, чем было сделано ранее», — добавил он.
Туннелирование
Туннелирование — это своего рода квантово-механическое проникновение электрона через барьер, который классическая частица не смогла бы преодолеть. Это не прямой поток электронов, а проникновение волновой функции электрона при прохождении через барьер, — пояснил Ральф.
«Электроны могут делать забавные вещи», — сказал он, добавив, что туннелирование — это распространённое устройство, используемое во всех видах технологий.
Электрическое обнаружение
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 электронов, для считывания этих чрезвычайно быстрых колебаний», — сказала соавтор Келли Луо, бывший постдок в Институте Кавли в Корнелле, а ныне доцент в Университете Южной Калифорнии.
Перспективы
Их прорывы частично стали возможны благодаря объединению двух областей: двумерных материалов и спинтроники, также известной как спиновая электроника, — сказал ведущий автор Тхов Мин Джеральд Чам, доктор философии.
Исследователи использовали механизм, известный как спин-орбитальный крутящий момент, чтобы контролировать спины внутри двумерного антиферромагнетика. Они пропускали заряд через материал, чтобы создать спин-ток, который может взаимодействовать с магнитом, применяя крутящий момент к магниту и заставляя его двигаться.
«Мы в основном искали способ манипулировать спинами, чтобы мы могли обнаружить двумерные слои отдельно, и мы не могли различить, какой слой что делает. Затем мы придумали эту идею, где мы могли бы нарушить симметрию, скручивая слои», — сказал Чам, который сейчас является докторантом в Калифорнийском технологическом институте.
«С этой геометрией мы можем использовать приложенные токи со спин-орбитальным крутящим моментом, чтобы приложить силу только к одному из спиновых слоёв, а не к другому, — первый шаг к управлению спиновой динамикой», — 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 Такаши Танигучи, Национальный институт материаловедения, Япония.
Предоставлено Корнелльским университетом.