Прорыв в материалах для спинтроники

Исследователям Университета Майнца впервые удалось непосредственно наблюдать 100% спиновую поляризацию соединения Гейслера.

Авторы назвали свою работу прорывом, который физики и химики во всем мире уже давно ожидали, и предсказали, что она будет играть ключевую роль в области информационных технологий в ближайшие годы. У такого утверждения есть основания, поскольку результаты эксперимента обеспечивают фундамент для будущего развития высокопроизводительных устройств спинтроники с использованием материалов Гейслера. Эти материалы могут найти применение, например, в читающих головках жестких дисков и энергонезависимых элементах хранения информации сверхмалых размеров, обеспечивающих очень высокую плотность записи.

Традиционная электроника основана на переносе электронами заряда. Но эти элементарные частицы обладают еще одним интересным свойством – спином. Спин представляет собой собственный момент импульса частицы. Хотя при объяснении сущности спина часто говорят о нем как о результате вращения частицы, объяснить его на основе механики невозможно. Это чисто квантовое явление. Для нас сейчас важно знать, что спин электрона имеет направление – спиновую поляризацию и порождает спиновый магнитный момент – собственное магнитное поле частицы. Последнее позволяет управлять направлением спина с помощью магнитного поля.

Таким образом, структуры с ГМС служат вентилями, которые легко управляются магнитным полем, и могут быть использованы в создании различных цифровых устройств. Эта технология сулит много преимуществ: миниатюризацию, увеличение быстродействия и экономичности устройств, в которых к тому же почти не выделяется тепло. Однако для ее воплощения необходимо иметь подходящие ферромагнитные материалы, работающие при комнатной температуре. Главное требование к ним – как можно большая поляризация электронов, то есть чтобы как можно больше электронов имело спин, ориентированный в заданном направлении. Именно поиском нужных материалов заняты физики и химики в последние два десятилетия.

Среди основных кандидатов на эту роль – так называемые сплавы Гейслера (их называют еще компаундами Гейслера, от англ. compound – соединение). Сплав Гейслера – это соединение трех металлов с химической формулой X₂YZ, например, Co₂MnSi. Интересно, что подобное вещество может обладать свойствами, отличающимися от свойств, составляющих его элементов. Так, соединение трех немагнитных материалов может быть ферромагнетиком. Материалы Гейслера активно изучаются во всем мире, особенно в Японии, Германии и США. В немецком университете имени Иоганна Гутенберга (JGU) из города Майнц они являются основным предметом исследований.

Физики из JGU доказали, что сплав Гейслера Co₂MnSi имеет необходимые электронные свойства, и смогли впервые осуществить экспериментальное доказательство его почти полной спиновой поляризации при комнатной температуре. «Этот класс материалов уже давно исследуется, и есть существенные теоретические разработки для необходимых электронных свойств соединений Гейслера, но ни один эксперимент ранее не смог подтвердить 100 процентную спиновую поляризацию при комнатной температуре», – пояснил основной автор исследования Мартин Джордан из JGU. Обнадеживающие результаты ранее были получены при очень низких температурах (-269 градусов Цельсия).

Этот проект осуществлялся в сотрудничестве с теоретиками из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института Макса Планка химической физики твердого тела (MPI-CPfS) в Дрездене. Результаты были недавно опубликованы в научном онлайн-журнале Nature Communications (M. Jourdan et al. Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co₂MnSi. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4974.)

«Это не просто прорыв в поиске новых материалов спинтроники, но и во взаимодействии между теорией и экспериментом», – отметил Джордан. «Мы смогли показать, что прекрасно подготовленные материалы на самом деле имеют свойства, которые были теоретически предсказаны» .

По материалам Университета Майнца