Пробив в материалите за спинтроника

Изследователи от Университета на Майнц са успели за първи път да наблюдават непосредствено 100% спинова поляризация в съединение на Хойслер.

Авторите са нарекли своята работа пробив. Пробив, който физиците и химиците от цял свят отдавна очакваха и предсказваха и който ще играе ключова роля в областта на информационните технологии в близко бъдеще.

Това твърдение е основателно, защото резултатите от експеримента осигуряват база за бъдещо развитие на високопроизводителни спинтронни устройства, с използване на Хойслерови материали.

Тези материали могат да се използват например за четящи глави на твърди дискове и за енергонезависими свръхминиатюрни елементи за съхраняване на данни с висока плътност на записа.

Традиционната електроника се основава на пренос на заряд от електроните. Но тези елементарни частици имат още една интересна характеристика – спин.

Спинът представлява собственият момент на импулса на частицата. Често, при обяснение на същността на спина се говори за него като за резултат от въртенето на частицата, но всъщност всякакво обяснение въз основа на класическата механика е невъзможно.

Касае се за чисто квантово явление. Това, което е важно да се знае, е, че спинът има направление и поражда спинов магнитен момент. Последното позволява да се управлява направлението на спина с помощта на магнитно поле.

С възможността за използване на явленията, свързани със спина на електроните, се занимава т.нар. спинтроника (спинова електроника). В нейната основа е откритото през 1988 г. явление гигантско магнитно съпротивление (ГМС).

Измерване на спиновата поляризация на тънки пластинки от Хойслерова сплав посредством фотоелектронна спектроскопия.

Това откритие беше отличено с Нобелова награда през 2007 г. ГМС се състои в следното: съпротивлението на трислойни метални структури от типа феромагнетик – немагнитен метал – феромагнетик (например желязо – хром – желязо) силно зависи от ориентацията на електронните спинове в двата феромагнитни слоя.

Ако спиновете са паралелни, то немагнитният метал (хром) добре пропуска електрическия ток. Ако спновете са антипаралелни, то неговото съпротивление рязко нараства.

Аналогична ситуация възниква, ако средният слой не е от метал, а от диелектрик. В този случай зависещият от спина ток е свързан с тунелния ефект, а съответното увеличение на съпротивлението се нарича тунелно магнитно съпротивление (ТМС).

Структурите с ГМС могат да служат като вентили, които лесно се управляват с магнитно поле и могат да се използват за създаване на различни цифрови устройства. Тази технология има много преимущества: миниатюризация, увеличаване на бързодействието и икономичността на устройствата, в които почти не се отделя топлина.

Но за практическата реализация на всичко това са необходими подходящи феромагнитни материали, работещи при стайна температура. Главното изискване към тях е да осигуряват колкото е възможно по-голяма поляризация на електроните.

С други думи, колкото е възможно повече електрони да имат спин, ориентиран в дадено направление. Именно с търсенето на такива материали се занимават физиците и химиците в последните две десетилетия.

Сред основните кандидати за тази роля са т.нар. сплави на Хойслер. Сплавта на Хойслер представлява съединение на три метала с химическа формула X₂YZ, например Co₂MnSi. Интересното е, че едно такова вещество може да притежава свойства, различни от свойствата на съставящите го елементи.

Например съединение от три немагнитни материала може да бъде феромагнетик. Хойслеровите материали усилено се изучават в целия свят, особено в Япония, Германия и САЩ. В университета Йохан Гутенберг (JGU), Майнц, те са основен предмет на изследвания.

Физиците от JGU са доказали, че Хойслеровата сплав Co₂MnSi има необходимите електронни свойства и са успели да получат експериментално доказателство за нейната почти пълна спинова поляризация при стайна температура.

„Този клас материали се изследва отдавна и има съществени теоретични разработки за необходимите електронни свойства на сплавите на Хойслер, но нито един експеримент досега не потвърждаваше 100% спинова поляризация при стайна температура“, – обяснява Мартин Джордан от JGU. Обнадеждаващи резултати по-рано са получавани, но при много ниски температури (-269 градуса по Целзий).

Този проект е осъществен в сътрудничество с теоретиците от Мюнхенския университет Лудвиг Максимилиян (LMU) и института Макс Планк по химическа физика на твърдото тяло (MPI-CPfS), Дрезден.

Резултатите са публикувани в научното онлайн списание Nature Communications.

„Това не е просто пробив в търсенето на нови материали за спинтрониката, но и взаимодействие между теорията и експеримента – отбелязва Джордан. – Ние съумяхме да покажем, че прекрасно подготвените материали действително имат свойствата, които теоретично бяха предсказани.“

Структура на сплав на Хойслер с формула X2YZ, например Co2MnSi.

Успешните експерименти са основани на подготовката на образците с максимална точност, осигуряваща липса на дефекти в кристалната структура на хойслеровото съединение.

Изследваният образец представлява тънка пластинка, създадена в свръхвисок вакуум по специална технология, разработена в JGU. Спиновата поляризация се измерва с фотоелектронна спектроскопия.

Резултатите от нея са анализирани в сътрудничество с теоретиците от LMU и MPI-CPfS като е отчетена специалната комбинация от обемни и повърхностни свойства на съединението.