Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) участвовали в разработке нового магнитного материала с необычной электронной структурой — p-волнового магнита. Этот материал может позволить производить более мелкие и эффективные компьютерные чипы в будущем.
Особенности магнитного поведения
Магнитное поведение внутри этого материала обусловлено особым расположением спинов электронов — в форме спирали. Поэтому электрический ток, проходящий через материал, отклоняется вбок. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Обычно мы думаем о магнетизме как о свойстве материалов, таких как железо, никель или кобальт, которые создают постоянные магнитные поля или притягиваются магнитными силами. В этих ферромагнитных материалах спины, то есть моменты всех электронов, движутся в одном направлении.
В отличие от них, антиферромагнитные материалы, казалось бы, не имеют никакого магнитного эффекта, потому что магнитные силы и свойства электропроводности отдельных атомов нейтрализуют друг друга — спины соседних электронов направлены в противоположные стороны.
Однако недавние разработки показали, что в зависимости от сочетания их магнитных и электронных свойств антиферромагнетики могут приобретать ферромагнитные свойства. Такой материал был разработан совместно исследователями Центра изучения возникающих форм материи (CEMS) в Японии, Токийского университета и KIT.
Спиновая структура p-волнового магнита
В этом материале электроны ведут себя так, будто их спины разделены, что существенно влияет на их движение. В p-волновом магните, который представляет собой комбинацию нескольких разных металлов, спины располагаются в соизмеримой спирали.
«Намагниченность совершает полный оборот на 360° на длине всего в шесть атомных решёток, причём соседние атомы расположены друг от друга почти точно на расстоянии в 60°», — говорит доктор Ян Маселл, возглавляющий группу «MAGN3D» в Институте теоретической физики твёрдого тела KIT и являющийся приглашённым учёным в CEMS.
Он участвовал в проекте, координируемом Токийским университетом и CEMS, который был представлен в журнале Nature, где были согласованы различные теоретические подходы как между собой, так и с экспериментальными измерениями.
«Кроме того, наш материал демонстрирует очень низкую намагниченность, едва поддающуюся измерению, то есть немного ферромагнетизма — это означает, что спираль не идеальна», — объясняет Маселл.
Это минимальное отклонение порождает явление, которое обычно возникает в сочетании с сильным магнитным полем или высокой намагниченностью: гигантский аномальный эффект Холла. Электроны, которые обычно движутся по прямой через материал, отклоняются вбок из-за внутренней структуры p-волнового магнита.
«Мы также смогли продемонстрировать, что спиральную структуру можно вращать внутри намагниченности — это означает, что эффект p-волнового магнита можно переключать», — добавляет Маселл. «Более того, электрическое сопротивление сильно зависит от ориентации спирали».
Перспективы применения
Это фундаментальное исследование может открыть новые возможности для информационных технологий. Например, металлический p-волновой магнит может стать основой для более быстрых, меньших по размеру и более энергоэффективных компьютерных чипов. В то же время он предоставляет платформу для исследования спиноэлектронных состояний, например, в магнитах или сверхпроводниках.
Предоставлено Технологическим институтом Карлсруэ.