Для створення надшвидких комп'ютерів майбутнього вчені звертаються не тільки до електричного заряду електронів, а й до іншої їхньої властивості: їхнього спіну. Якщо традиційна електроніка спирається на переміщення заряду для обробки даних, використання цієї фундаментальної квантової властивості може дозволити дослідникам переосмислити принципи передачі інформації в електронних ланцюгах.
Команда під керівництвом професора фізики Університету Центральної Флориди (UCF) Мадхаба Неупане виявила перспективний матеріал для цього. Вчені виявили ознаки альтермагнетизму - нової форми магнетизму, що поєднує корисні характеристики двох більш відомих типів: феромагнетизму та антиферомагнетизму. Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Communications.
Феромагнетизм обумовлює поведінку, характерну для звичайних магнітів. У таких матеріалах магнітні моменти орієнтовані в одному напрямку, створюючи магнітне поле. Ця властивість корисна для електроніки, проте паразитні магнітні поля, що виникають при цьому, можуть створювати перешкоди для сусідніх компонентів.
Антиферомагнетики поводяться інакше. Їхні магнітні моменти спрямовані в протилежні сторони та взаємно компенсуються, що практично виключає появу паразитних полів. Однак їм бракує деяких корисних електронних властивостей, властивих феромагнетикам.
Альтермагнетики пропонують інше рішення, поєднуючи цінні характеристики обох типів.
Подібно до антиферомагнетиків, вони не створюють небажаних паразитних магнітних полів. Водночас вони здатні генерувати та детектувати спінові струми — потоки спинів електронів усередині матеріалу, які дослідники планують використовувати в електроніці майбутнього.
Неупане та його колеги експериментально виявили ознаки цього незвичайного магнітного стану у шаруватому матеріалі Co₁/₄TaSe₂, що містить атоми магнітного кобальту. Це відкриття надає дослідникам універсальну платформу для вивчення альтермагнетизму та може сприяти розвитку технологій електроніки та спінтроніки.
"Ці матеріали відрізняються від традиційних антиферомагнетиків здатністю генерувати та детектувати спінові струми без негативного ефекту у вигляді паразитних магнітних полів", – зазначає Неупане. "Завдяки цій новій властивості вони відмінно підходять для різних областей застосування, включаючи спінтроніку, надшвидкі запам'ятовувальні пристрої, терагерцові мережі та енергоефективну електроніку".
Пошук ознак альтермагнетизму
Щоб визначити, чи з'єднання Co₁/₄TaSe₂ виявляє властивості альтермагнетизму, дослідникам необхідно було вивчити поведінку його електронів.
Вони використовували метод фотоемісійної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю (ARPES), що дозволяє вимірювати енергію та рух електронів, а також визначати електронну структуру матеріалу.
"Наш підхід полягав у використанні методів з високою роздільною здатністю, які не залежать від спину електрона, для вимірювання розщеплення енергетичних рівнів", — каже Неупане. "Потім ми доповнили ці вимірювання методом ARPES з дозволом по спіну, щоб остаточно переконатися, що картина, що спостерігається, відповідає альтермагнетизму."
Спершу команда виявила характерне розщеплення електронних зон матеріалу. Потім, застосувавши ARPES з роздільною здатністю по спіну для більш детального аналізу, дослідники встановили, що розщеплені стани мають протилежну спінову поляризацію, що є ключовою ознакою альтермагнетизму.
Спостереження за цим явищем пов'язані з певними труднощами. Оскільки вимірювання методом фотоемісії вкрай чутливі до стану поверхні матеріалу, для точного аналізу процесів, що відбуваються, дослідникам були потрібні зразки з виключно чистою поверхнею.
Колеги виготовили високоякісні зразки Co₁/₄TaSe₂, а команда Неупан ретельно відібрала ті з них, які мали надчисту поверхню, перш ніж братися до вивчення електронних властивостей матеріалу.
"Важливість відкриття стала очевидною, коли результати експериментальних вимірів незмінно підтверджували наші теоретичні прогнози", — зазначає Неупане. "Збіг цих незалежних свідчень переконав нас у тому, що ми справді виявили шаруватий альтермагнетик."
Чому шаруваті матеріали змінюють правила гри
Виявлення ознак альтермагнетизму — лише одна з причин, через які матеріал Co₁/₄TaSe₂ привернув увагу дослідників.
Цей матеріал складається з надзвичайно тонких шарів, покладених один на одного. Оскільки зв'язок між шарами слабкий, вчені можуть розділяти їх і комбінувати, створюючи надтонкі структури; це робить шаруваті матеріали перспективними для використання у тонкоплівкових пристроях та інших передових технологіях.
Вчені називають це сімейство шаруватих матеріалів дихалькогеніди перехідних металів (або TMD - від англ. Transition-metal dichalcogenides).
У матеріалі Co₁/₄TaSe₂ магнітні атоми кобальту, впроваджені між шарами, сприяють формуванню незвичайних магнітних властивостей. Шарувата структура також забезпечує високу гнучкість налаштування матеріалу, дозволяючи дослідникам модифікувати його та вивчати, як ці зміни впливають на електронні та магнітні характеристики.
Команда також прагнула зрозуміти природу цієї незвичайної електронної поведінки. До початку дослідження було неясно, чи виходять ключові ознаки альтермагнетизму в шаруватих матеріалах переважно з поверхні або глибини самого матеріалу.
Проведені вимірювання показали, що відповідний електронний стан формується головним чином усередині самого матеріалу та демонструє явні ознаки альтермагнітного впорядкування.
"Виявлення ознак альтермагнетизму в матеріалі з широкими можливостями налаштування відкриває безліч нових перспектив", — каже Майло Спраг, аспірант та провідний дослідник у цій роботі. "Наразі в альтермагнетній теорії точаться численні дискусії щодо того, як спін-поляризовані електронні стани взаємодіють з іншими магнітними явищами. Тепер ми маємо матеріал, який можна легко модифікувати для вивчення цих нових питань."
Створення фундаменту для технологій майбутнього
Більшість традиційних електронних пристроїв використовують електричний заряд електронів для передачі та обробки інформації. Однак в електронів є й інша властивість – спін; дослідники вивчають його як альтернативний спосіб перенесення інформації.
Ця галузь науки отримала назву «спінтроніка».
Альтермагнетики можуть бути особливо корисними для спінтроніки, оскільки вони здатні генерувати й детектувати спінові струми, не створюючи при цьому паразитних магнітних полів, здатних заважати роботі щільно упакованих електронних компонентів.
"У міру того, як електронні пристрої стають все більш мініатюрними, дослідникам потрібні нові матеріали, здатні працювати швидше і споживати менше енергії", - зазначає Неупане. Шаруваті матеріали вже досліджуються щодо їх використання в надмалих транзисторах, оптичних технологіях та інших електронних пристроях. Водночас вчені вивчають, чи можуть спінові струми відкрити нові засоби передачі цифрової інформації.
Шаруваті альтермагнетики здатні поєднати ці два напрями досліджень, ставши основою для створення надтонких, гнучко настроюваних матеріалів, що дозволяють керувати спіном електронів без виникнення небажаних магнітних перешкод, властивих звичайним магнітам.
"Якщо цей підхід виявиться життєздатним, шаруваті альтермагнетики займуть передові позиції у розвитку електроніки", - зазначає Неупане.
Що ще належить з'ясувати дослідникам
Дане дослідження надає вченим цінний ресурс: матеріал, за допомогою якого можна вивчати безліч питань щодо альтермагнетизму в Co₁/₄TaSe₂.
Вчені поки не до кінця розуміють, чому виникає цей незвичайний магнітний стан, чому він може ставати більш енергетично вигідним у порівнянні з іншими можливими магнітними структурами (включаючи феромагнетизм та інші форми антиферомагнетизму), а також які особливості його поведінки.
Теоретичні дослідження вказують на те, що конкуренція різних взаємодій між електронами може визначати тип магнітного стану, що формується, проте вчені все ще працюють над тим, щоб встановити, наскільки точно ці теорії описують поведінку реальних матеріалів.
"У теорії роботи альтермагнетиків залишається безліч невивчених та неперевірених аспектів", — каже Неупане. "Тепер, коли ми визначили низку платформ для пошуку відповідей на ці питання, почалися більш поглиблені дослідження цих матеріалів."
Оскільки вчені можуть модифікувати Co₁/₄TaSe₂ та спостерігати за змінами його властивостей, цей матеріал є новою експериментальною базою для вивчення нерозв'язаних питань та дослідження того, як альтермагнетизм взаємодіє з іншими магнітними та електронними явищами.
