Прорив матеріалів для спинтроніки

Вперше дослідники в Університеті Майнца безпосередньо спостерігали 100% полярність хребта з'єднання Geisler.

Авторами описали свою роботу як прорив, який фізики і хіміки по всьому світу довго очікували, і прогнозували, що вона буде грати ключову роль в інформаційній технології в найближчі роки. Цей твердження виправдано, тому що результати експерименту забезпечують основу для майбутнього розвитку високопродуктивних шпинтронічних пристроїв з використанням матеріалів Geisler. Ці матеріали можуть використовуватися, наприклад, в жорстких зчитувачах дисків і необ'ємних елементах зберігання ультра-малих розмірів, які забезпечують дуже високу щільність запису.





Традиційна електроніка ґрунтується на перевезенні електронів. Але ці елементарні частинки мають ще одне цікаве майно: спін. Спін являє собою кутовий імпульс частинок. Хоча в пояснюванні сутності хребта часто згадується в результаті обертання частинок, неможливо пояснити його на основі механіки. Це чистий квантовий феномен. Для нас зараз важливо знати, що хребт електрона має напрямок – поляризація хребта і генерує магнітний момент – власне магнітне поле частинок. Останній дозволяє контролювати напрямок хребта за допомогою магнітного поля.

Можливість використання явищ, пов’язаних з хребтом електронів, займається хребтомографією (spin Electronics) з 1980-х років. На основі феномену гігантської магніторезистентності (GMS) виявлено у 1988 році, за якою нагороджена Нобелівська премія у 2007 році. HMS складається з того, що опір тришарового металу «сандвіч» двох феромагнітних шарів, між якими знаходиться немагнітний металевий наношаровий (наприклад, залізо-хромовий-ірон), сильно залежить від спрямованості електронних хребтів в феромагнітних шарах. Якщо спини паралельні, то немагнітний матеріал (хром) передає струм добре, якщо антипаралель, то його стійкість різко підвищується. Аналогічна ситуація виникає, якщо замість провідника середній шар виготовляється з діелектрика. Там буде пов'язаний з ефектом тунелю, а відповідне збільшення стійкості називається тунельною магнітною стійкістю (ТМС). Таким чином, конструкції з HMS служать воротами, які легко контролюються магнітним полем, і можуть використовуватися при створенні різних цифрових пристроїв. Ця технологія обіцяє безліч переваг: мініатуризація, підвищена продуктивність і ефективність пристроїв, в яких практично немає тепла. Однак для його реалізації необхідно мати відповідні феромагнітні матеріали, що працюють при кімнатній температурі. Основна вимога для них є найбільшою можливою поляризацією електронів, тобто, що стільки електронів, наскільки це можливо, мають спін-орієнтований в заданому напрямку. Лікарі та хіміки шукали правильні матеріали протягом останніх двох десятиліть.

Серед основних кандидатів на цю роль є так звані сплави Geisler (вони також називаються сполуками Geisler, з англійської сполуки - сполукою). Geisler сплав - це сполука трьох металів з хімічною формулою X2YZ, таких як Co2MnSi. Цікаво, що така речовина може мати властивості різних від його складових елементів. Таким чином, поєднання трьох немагнітних матеріалів може бути феромагнітним. Геїслерські матеріали активно навчаються по всьому світу, особливо в Японії, Німеччині та США. На Університеті Йоханнеса Гутенберга (JGU) у м. Майнц, Німеччина, є основною темою дослідження.

Фізиканти з JGU довели, що сплав Co2MnSi Geisler має необхідні електронні властивості, і вперше вдалося довести його майже повну поляризацію хребта при кімнатній температурі. «Цей клас матеріалів вже давно досліджений, і є суттєві теоретичні розробки для необхідних електронних властивостей сполук Geisler, але не експеримент раніше вдалося підтвердити 100 відсотків поляризації хребта при кімнатній температурі», - пояснив автор Мартін Йорданія JGU. На дуже низьких температурах (-269 градусів Цельсій).

Цей проект був проведений у співпраці з аортами Університету Мюнхена (ЛМУ) та Інститутом хімії твердої держави (MPI-CPfS) у Дрездені. Останні результати були опубліковані в онлайн науковому журналі Nature Communications (M. Jourdan et al. Пряме спостереження за напівметалічною сполукою Heusler Co2MnSi. Природні комунікації, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4974.

«Це не просто прорив у пошуку нових спинтронічних матеріалів, але й у взаємодії теорії та експерименту», - сказав Йордан. «Ми змогли показати, що добре підготовлені матеріали насправді мають властивості, які були теоретично прогнозовані. й

Успішні експерименти базувалися на підготовці зразків з максимальною точністю, забезпеченні відсутності пошкоджень в кристалі структури Geisler. Зразок був тонкою плівкою, створеною в ультрависокому вакуумі за допомогою технології, спеціально розробленої в JGU. За допомогою фотоелектронної спектроскопії, результати яких були пояснені у співпраці з аортологами ЛМУ та МП. CPfS є результатом спеціальної комбінації сипучих і поверхневих властивостей сполук. На основі матеріалів Університету Майнца



Джерело: nkj.ru