Новый тип магнетизма: Найден материал для спинтроники будущего – работает при комнатной температуре

Мы привыкли делить магниты на два больших лагеря. Есть ферромагнетики — это ваши магнитики на холодильник, у которых все внутренние «магнитные стрелочки» (спины электронов) смотрят в одну сторону, создавая сильное внешнее поле. А есть антиферромагнетики — там спины тоже упорядочены, но смотрят в противоположные стороны, компенсируя друг друга. В итоге внешнего магнитного поля почти нет. Казалось бы, всё понятно. Но наука, как всегда, подкидывает сюрпризы.

Недавно ученые всерьез заговорили о третьем типе — альтермагнетиках. И это не просто еще одна строчка в учебнике физики. Открытие и изучение этих материалов может серьезно изменить правила игры в таких областях, как электроника и хранение данных. Звучит интригующе? Давайте разбираться.

Не ферро-, не анти-, а что-то новенькое

Так в чем же фокус альтермагнетиков? Представьте себе: они, как и антиферромагнетики, не создают заметного внешнего магнитного поля. Их внутренние спины тоже смотрят в разные стороны. Но! В отличие от классических антиферромагнетиков, у альтермагнетиков эта «разношерстность» спинов устроена хитрее. Из-за особой кристаллической структуры и симметрии, электроны с противоположными спинами в них ведут себя по-разному в зависимости от того, куда они движутся внутри материала.

Говоря чуть научнее, возникает спиновое расщепление энергетических зон, зависящее от импульса. Проще говоря, энергия электрона зависит не только от того, куда направлен его спин (вверх или вниз), но и от направления его движения в кристалле. И что самое поразительное — для этого эффекта альтермагнетикам не нужно ни сильное спин-орбитальное взаимодействие (СОВ), которое обычно отвечает за подобные эффекты в других материалах, ни суммарная намагниченность, как у ферромагнетиков.

Это как если бы на дороге с двусторонним движением машины в одну сторону ехали только красные, а в другую — только синие, причем без всяких специальных знаков или разметки, а просто «потому что дорога так устроена».

Зачем всё это нужно? Привет, спинтроника!

Вы спросите: ну хорошо, есть еще один тип магнетизма, и что с того? А дело вот в чем. Способность управлять спинами электронов — это ключ к спинтронике. Это такая область электроники, которая хочет использовать не только заряд электрона (как сейчас), но и его спин для хранения и обработки информации. Потенциально это обещает нам устройства гораздо более быстрые, компактные и энергоэффективные, чем современные.

Ферромагнетики для этого подходят, но их сильное магнитное поле создает помехи, особенно если размещать элементы близко друг к другу. Антиферромагнетики лишены этого недостатка, они стабильны и не «фонят», но управлять их спинами сложнее, да и полезных спиновых эффектов в них обычно меньше.

И тут на сцену выходят альтермагнетики! Они сочетают в себе лучшие черты:

• Стабильность и отсутствие внешних полей, как у антиферромагнетиков.
• Сильные спиновые эффекты (то самое спиновое расщепление), которые легко использовать, как у ферромагнетиков, но при этом возникающие по совершенно другому механизму.
• Плюс, теория предсказывает у них большое время жизни спиновых состояний, что очень важно для надежной работы спинтронных устройств.

По сути, альтермагнетики предлагают уникальный набор свойств, который может стать идеальной платформой для будущей электроники.

От теории к практике: Долгий путь к открытию

Идея альтермагнетизма витала в воздухе, но найти реальный материал с нужными свойствами оказалось непросто. Ученые перебирали разные соединения (вроде α-MnTe, CrSb, MnTe₂), но они либо имели неподходящую симметрию, либо работали только при очень низких температурах, либо их магнитные свойства вообще вызывали споры.

Ключевой проблемой было еще и то, что большинство кандидатов были объемными кристаллами. А для современной микроэлектроники, стремящейся к миниатюризации, очень важны двумерные (2D) материалы — тонкие пленки толщиной в один или несколько атомных слоев. Их можно легко «расслаивать» (как графит на графен), комбинировать с другими материалами, создавая сложные «бутерброды» с заданными свойствами, управлять их характеристиками с помощью электрического поля. Представьте себе возможности! Можно было бы создавать сверхпроводящие контакты или управлять спиновыми потоками прямо на чипе.

И вот здесь происходит прорыв. Команда профессора Лю Цзюньвэя из Гонконга, которая еще в 2021 году теоретически предсказала существование альтермагнетизма в определенных оксидах ванадия и теллура/селена (V₂Te₂O и V₂Se₂O), смогла экспериментально подтвердить свои расчеты!

Герой дня: Слоистый и работающий при комнатной температуре

Ученые синтезировали и изучили соединение Rb₁-δV₂Te₂O. И оно оказалось именно тем, что искали!

1. Слоистое: Его можно разделить на тончайшие 2D-слои. Бинго!
2. Комнатной температуры: Все интересные альтермагнитные свойства сохраняются при комнатной температуре, а не только вблизи абсолютного нуля. Это открывает дорогу к реальным приложениям.
3. Альтермагнетик: Самое главное — с помощью хитроумных экспериментальных методов (вроде фотоэмиссионной спектроскопии со спиновым и угловым разрешением, Spin-ARPES, и сканирующей туннельной микроскопии, СТМ) ученые напрямую увидели то самое характерное для альтермагнетиков спиновое расщепление. Они буквально «увидели», что электроны с противоположными спинами предпочитают двигаться в определенных «долинах» электронной структуры кристалла. Этот эффект назвали C-сопряженной спин-вэлли (спин-долинной) блокировкой.

Эксперименты блестяще совпали с теоретическими расчетами, что добавило уверенности в правильности модели. Более того, похожие свойства нашли и в родственном материале (V₂Se₂O с добавкой калия), подтвердив предсказания 2021 года.

Что дальше? Новая эра магнетизма?

Открытие первого слоистого альтермагнетика, работающего при комнатной температуре, — это действительно большое событие. Это не просто подтверждение теории, это открытие двери в новую область физики и материаловедения.

Теперь у исследователей есть реальная платформа для изучения фундаментальных свойств альтермагнетизма и, что еще важнее, для разработки конкретных устройств. Речь идет не только о спинтронике, но и о вэллитронике (или долинотронике) — еще одной перспективной области, которая хочет использовать для кодирования информации не спин, а принадлежность электрона к той или иной «долине» в его энергетическом спектре. Альтермагнетики с их спин-долинной блокировкой выглядят идеальными кандидатами и для этого.

Кроме того, теория намекает на возможность существования в этих материалах токов с сохранением спина и даже на необычный пьезомагнетизм (возникновение намагниченности под действием механической деформации). Сколько еще сюрпризов таят в себе эти материалы?

Конечно, путь от лабораторного образца до процессора в вашем смартфоне долог. Но фундамент заложен. Похоже, привычная дихотомия «ферро- или антиферромагнетик?» уходит в прошлое. В «магнитном зоопарке» появился новый, очень интересный и перспективный вид. И кто знает, возможно, именно альтермагнетики определят облик электроники будущего. Поживем — увидим!