Создан магнитный туннельный переход с электрическим управлением

Германские исследователи из Института физики микроструктур им. Макса Планка создали магнитный туннельный переход с электрическим управлением.

В обычном магнитном туннельном переходе ферромагнитные плёнки отделяются друг от друга тонким изолирующим барьером, через который туннелируют электроны. Направления намагничивания верхнего и нижнего слоёв задаёт внешнее магнитное поле, а вероятность туннелирования частиц при совпадении этих направлений, что важно, превышает ту же вероятность, рассчитанную в случае «встречного» намагничивания. Следовательно, у перехода появляются два переключаемых состояния с большим и малым электрическим сопротивлением, а это даёт возможность использовать его для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти — MRAM.

Кроме того, описанная структура действует как спиновый фильтр для туннелирующих электронов, что делает её одним из потенциально важных элементов спинтроники.

В классических опытах с туннельными переходами диэлектрик, расположенный между ферромагнитными плёнками, играл вспомогательную роль, обеспечивая саму возможность туннелирования. Сейчас физики начали пробовать новые сочетания материалов и изготавливать сегнетоэлектрические изолирующие слои, которые имеют два стабильных и переключаемых состояния электрической поляризации. От этой поляризации зависит высота туннельного барьера, вследствие чего структура с сегнетоэлектриком получает уже не два, а четыре энергонезависимых состояния с разными сопротивлениями.

Туннельный переход с сегнетоэлектриком цирконатом-титанатом свинца, слой которого выделен коричневым. Жёлтым обозначены электроды из кобальта. (Иллюстрация Marin Alexe / MPI of Microstructure Physics.)

Образец, подготовленный для новых экспериментов, также содержал тонкий (~3 нм) сегнетоэлектрический слой цирконата-титаната свинца. С двух сторон к нему прилегали ферромагнитные материалы — манганит лантана-стронция и кобальт.

Для управления поляризацией цирконата-титаната свинца учёные использовали короткие (менее миллисекунды) импульсы напряжения, при подаче которых был зарегистрирован весьма интересный эффект. «Мы с удивлением обнаружили, что импульсы влияли на обе составляющие сопротивления туннельного перехода, — поясняет руководитель исследования Дитрих Гессе (Dietrich Hesse). — Они воздействовали и на компонент, зависящий от направления поляризации, и на ту часть, что определяется намагничиванием ферромагнитных плёнок». Физики, таким образом, получили удобный спиновый фильтр, у которого направление спина туннелирующих электронов задаётся не приложенным магнитным полем, а электрическими импульсами наносекундной длительности.

Природа этого эффекта остаётся неясной. По предположению авторов, его основой должно быть взаимодействие ферромагнитного кобальта с близлежащими ионами титана из цирконата-титаната свинца.

Отчёт об экспериментах с новой трёхслойной структурой будет опубликован в журнале Nature Materials.