Материал переключается на другую структуру путем приложения поверхностной деформации, создаваемой слоем подложки.
Фото: Венский технологический университет.

Электроника основана на переносе электрических зарядов из одного места в другое. Электроны движутся, течет ток, а сигналы передаются путем приложения электрического напряжения. Однако есть и другой способ манипулировать электронными токами и сигналами: использовать свойства спина — собственного магнитного момента электрона. Это называется «спинтроника», и она становится все более важной областью современных электронных исследований.

Международная исследовательская группа, в которую входят Венский технический университет и Чешская академия наук, добилась важного прорыва. Им удалось переключить спины в антиферромагнитном материале с помощью поверхностной деформации. Это может привести к новому важному направлению исследований в области электронных технологий. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

«Существуют разные типы магнетизма», — объясняет Сергей Хмелевский из Венского научного кластерного исследовательского центра TU Wien. «Самый известный из них — ферромагнетизм. Он возникает, когда спины атомов в материале выровнены параллельно. Но есть и противоположный вариант — антиферромагнетизм. В антиферромагнетике соседние атомы всегда имеют противоположные спины». Поэтому их эффекты нейтрализуют друг друга, и никакая магнитная сила не может быть обнаружена снаружи.

«Однако в 2010 году ученые из Венского технического университета и Чешской академии наук пришли к выводу, что такие антиферромагнитные материалы обладают многообещающими свойствами для применения в спинтронике», — говорит Хмелевский. Это было началом новой области исследований «антиферромагнитной спинтроники», которая с тех пор быстро развивалась.

Интенсивную работу недавно провели Венский технический университет, Институт физики Чешской академии наук и Политехническая школа (Париж). Самая большая проблема заключалась в том, что спинами в антиферромагнитных материалах трудно манипулировать, но найти способ манипулировать ими надежно и точно имеет решающее значение. Только если магнитные состояния можно целенаправленно переключать из одного состояния в другое, становится возможным создание ячеек компьютерной памяти (например, MRAM).

Крошечные эффекты имеют решающее значение

Манипулировать ферромагнетиками легко: достаточно просто приложить внешнее магнитное поле, чтобы повлиять на его внутренние магнитные свойства. С антиферромагнетиками это невозможно, но выход есть: можно работать с поверхностной деформацией.

Однако для этого требуются очень специфические типы кристаллов. В зависимости от геометрии и расположения атомов в кристалле могут быть возможны несколько различных расположений антиферромагнитных спинов. Кристалл переходит в состояние с наименьшей энергией. Но может возникнуть ситуация, когда несколько разных порядков спина имеют одинаковую энергию. Это явление называется «магнитной фрустрацией». «В этом случае крошечные взаимодействия, которые в противном случае не играли бы никакой роли, могут решить, какое магнитное состояние примет кристалл», — говорит Хмелевский.

Эксперименты с диоксидом урана показали, что с помощью механического напряжения можно немного сжать кристаллическую решетку, и этого достаточно, чтобы переключить магнитный порядок материала.

«Теперь мы показали, что антиферромагнетики действительно можно переключать, используя свойства магнитной фрустрации, существующие во многих известных материалах», — говорит Хмелевский. «Это открывает двери для многих интересных дальнейших разработок в направлении функциональной антиферромагнитной спинтроники».