Физики создали невозможный плоский магнетик
Проекция кристаллической решетки материала
Cheng Gong et al. / Nature, 2017
Физики из Университета Калифорнии и Принстонского университетов
обнаружили ферромагнетизм в двумерном кристалле — теллуриде хрома и
германия. В ферромагнетиках спины электронов оказываются направлены в
одном направлении, что проявляется, например, в том, что они (как
железо) притягиваются к магнитам. Это очень необычный результат — с
точки зрения классической теории, в одномерных и двумерных материалах
упорядочение невозможно. По словам авторов, такие материалы делают
возможной постройку двумерных спинтронных устройств. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Спинтронные устройства фундаментально отличаются от привычной
электроники. Если в последней биты информации записываются и передаются с
помощью движения зарядов, то в спинтронике биты реализуются как спины
электронов. Спины — это специальное квантовое свойство, его можно
сравнить с вращением частицы, хотя эта аналогия будет грубой. Момент
импульса электрона таков, что он бы потребовал движения точек на
гипотетической поверхности частицы со сверхсветовой скорости. Условно
можно говорить о том, что спин может быть направлен вниз (вращение по
часовой стрелке) или вверх (против часовой стрелки).
Упорядочение спинов (стрелки-«оси вращения») в ферромагнетике
Cheng Gong et al. / Nature, 2017
Поделиться
Для передачи сигналов в спинтронике предполагается использовать волны
перемены спина, или спиновые волны. Их возникновение можно объяснить
следующим образом. Если поместить рядом два электрона, то их спины будут
взаимодействовать — например, они могут стремиться быть направлены в
одну сторону. Возьмем цепочку из электронов с такими сонаправленными
спинами и поменяем направление одного из них (это можно сделать с
помощью магнитного поля). Вслед за ним попытается поменять направление
его сосед по цепочке, затем его сосед и так далее. Считается, что
спинтронные устройства могут работать гораздо быстрее электронных, и, к
тому же, потребляя гораздо меньше энергии.
Спиновая волна
Изображение: Ахиезер А. И., "Спиновые волны", Москва, 1967
Поделиться
Интерес авторов новой работы связан с двумерными спинтронными
устройствами. Для того, чтобы обеспечить работу таких устройств,
требуется создать двумерный материал, в котором спины электронов были бы
упорядочены.
Примеров подобных трехмерных материалов — огромное количество. Более
того, при достаточно низкой температуре спины электронов в любом
веществе начинают упорядочиваться. Для одномерных и двумерных материалов
(цепочек и плоскостей) ситуация оказывается совершенно иной.
Существует теорема Мермина-Вагнера-Березинского—
это достаточно известное утверждение, сводящееся к тому, что для
разрушения магнитного упорядочения в 1D или 2D материалах достаточно
даже малых флуктуаций. При отличной от абсолютного нуля температуре
упорядочение становится невозможным.
Физики ищут различные подходы к тому, чтобы обойти этот запрет. Например, в ряде работ ученые пытаются создать
магнитное упорядочение в графене путем целенаправленного встраивания
дефектов. Другой подход — размещать двумерный материал над обыкновенным
магнитным материалом, тогда на поведение электронов будет влиять
близость упорядоченного магнетика. Но все они имеют определенные
ограничения: упорядочение возникает в небольшой области, либо эффект
близости оказывается слишком слаб.
Авторы нашли новый способ обойти этот запрет. Как рассказывает
руководитель исследовательской группы, Цзин Ся, если посмотреть
внимательно на математическое доказательство теоремы
Мермина-Вагнера-Березинского, то можно заметить, что она учитывает
магнитную анизотропию материалов. Она показывает, что намагниченность и
магнитные свойства материала могут изменяться в зависимости от
направления, вдоль которого их оценивают. Поэтому физики взяли за основу
двумерный материал, сама структура которого гарантировала разные
магнитные свойства в направлениях.
Микрофотография чешуйки материала (слева) и керровское вращение света
— величина, зависящая от намагниченности образца. Измерения проведены
при разных температурах в поле 0,075 тесла
Cheng Gong et al. / Nature, 2017
Поделиться
За основу ученые взяли теллурид хрома германия — слоистое соединение с
формулой Cr2Ge2Te6. Используя скотч, как и первооткрыватели графена,
физики отделили от кристалла небольшие чешуйки, насчитывавшие всего 2-6
слоев в толщину. Как отмечают авторы, одноатомные слои были неустойчивы и
быстро деградировали, поэтому поставить эксперимент с ними не удалось.
Ученые исследование поведения чешуек в небольших магнитных полях — до
0,3 тесла. Авторы обнаружили переход из парамагнитного
(неупорядоченного состояния) в ферромагнитное уже при температуре 40
кельвин (-233 градуса Цельсия).
По словам ученых, главную роль в упорядочении играет магнитная
анизотропия. При индукции полей близкой к нулю она невелика, но если
поместить чешейки хотя бы в слабое магнитное поле, эффективная
анизотропия резко увеличивается. Это сказывается на том, какими
энергиями могу обладать спиновые волны в материале, возникает
своеобразная запрещенная зона.
Впервые квазидвумерный материал с ферромагнитным упорядочением
был обнаружен в 1995 году французскими физиками из Национального центра
научных исследований. Им стал близкий аналог соединения, описанного в
новой работе — Cr2Si2Te6. Хотя ученые изучали его магнитные свойства в
толще материала, его можно рассматривать как почти двумерный объект
из-за большого расстояния между слоями.
Владимир Королёв
Источник: cont.ws.
Рейтинг публикации:
|
