Группа учёных из Института калифорнийских наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разработала новый метод комбинирования магнитных элементов с полупроводниками. Эти материалы имеют огромное значение для компьютеров и других электронных устройств.
Исследователи продемонстрировали возможность получения полупроводниковых материалов, содержащих до 50% магнитных атомов. Существующие методы часто ограничены концентрацией магнитных атомов не более 5%. Используя свой процесс, команда создала библиотеку из более чем 20 новых материалов, в которых магнитные элементы, такие как кобальт, марганец и железо, сочетаются с различными полупроводниками.
Исследование также показало, что новая стратегия может быть использована для внедрения магнитных элементов в сверхпроводники — класс материалов, которые позволяют электронам проходить через них с нулевым сопротивлением при определённых условиях. Другие эксперименты включали добавление магнитных атомов в топологические изоляторы — вещества, которые ведут себя как изоляторы в своей внутренней части, но позволяют электронам свободно течь по своей поверхности.
В тестах, которые включали использование атомных изображений и измерений намагниченности, исследователи обнаружили доказательства того, что новые материалы, изготовленные с использованием сверхпроводников и топологических изоляторов, сохранили свои экзотические свойства, развивая при этом новое магнитное поведение. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09147-z) в журнале Nature.
Интеграция магнетизма в полупроводники
Стремление интегрировать магнетизм в полупроводники существует уже несколько десятилетий, но пока что оно принесло лишь скромный успех. Существующие методы включают замену небольшой части атомов в полупроводниках магнитными атомами. Однако при превышении критического порога концентрации около 5% магнитные атомы имеют тенденцию скапливаться таким образом, что это подрывает возможность контроля магнитных и электронных свойств материалов.
Полупроводники с управляемыми магнитными свойствами могут стать основой для спинтронных технологий (технологий, работающих на основе свойства электронов, называемого спином), подобно тому как традиционная электроника работает на основе заряда электронов. Спин предлагает новый способ хранения и обработки информации, используя направление вращения электрона — «вверх» или «вниз» — подобно крошечным магнитам, переворачивающимся с севера на юг.
Перспективы спинтронных устройств
Спинтроника уже используется в таких технологиях, как считывающие головки, которые извлекают данные с жёстких дисков компьютеров и других устройств. В отличие от традиционной электроники, спинтронные компоненты не производят избыточного тепла, что является серьёзным препятствием для размещения большей мощности на меньших чипах. Преодоление этого ограничения может привести к созданию будущих устройств, которые будут более мощными, компактными и энергоэффективными, или даже устройств с совершенно новыми возможностями.
Магнитные материалы, полученные с помощью нового метода, могут также служить основой для будущих квантовых компьютеров. Ожидается, что такие устройства будут выполнять вычисления, которые в настоящее время невозможны, моделировать сложные природные явления на уровне, недостижимом для традиционных компьютеров, и обеспечивать надёжную кибербезопасность.
Техника исследователей
Техника исследователей включает поочерёдное соединение атомарно тонких слоёв полупроводников и самоорганизующихся слоёв магнитных атомов. Эта многослойная архитектура позволяет каждому компоненту сохранять свою упорядоченную структуру и внутренние свойства, создавая при этом новое коллективное поведение.
Процесс команды может обеспечить универсальную материальную платформу для будущих спинтронных устройств, которые смогут делать больше, чем современные электронные устройства, с более высокой энергоэффективностью. Например, современные популярные системы искусственного интеллекта потребляют огромное количество электроэнергии и воды; будущие компьютеры со спинтроникой могут размещать приложения искусственного интеллекта, которые будут более мощными, избегая при этом тревожного углеродного следа и нагрузки на жизненно важные ресурсы.
Экзотические материалы, сочетающие свойства полупроводников или сверхпроводников с магнетизмом, также могут помочь поднять температуру, при которой работают квантовые компьютеры, до более практичного уровня — в отличие от текущих систем, которым требуются экстремально холодные условия.
Использование в фундаментальных исследованиях новых материалов, сочетающих полупроводники и магнетизм, может помочь улучшить понимание фундаментальных сил и взаимодействий, лежащих в основе не только передовых технологий, но и самой природы.
Предоставлено Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе.