Ученые из Курчатовского института создали первый прототип двумерного магнита из кремниевого аналога графена, улучшенные версии которого могут стать основой сверхбыстрых и экономных компьютеров будущего. Его описание и выводы физиков были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Перспектива создания ультракомпактной спинтроники — альтернативы современной электронике — обуславливает поиск магнетизма в двумерных и одномерных материалах. Мы открыли целый класс двумерных магнитов, которые могут стать основой для компьютеров будущего», — отмечает Вячеслав Сторчак из Курчатовского института в Москве, чьи слова приводит пресс-служба Российского научного фонда.
Все магнитные материалы состоят из особых областей, которые обычно называют доменами. Как правило, спины электронов у атомов в таких доменах повернуты в одну сторону, противоположную тому, в какую сторону направлены спины электронов в соседних доменах. Благодаря этому куски железа не обладают собственным магнитным полем, но могут намагничиваться, если поместить их во внешнее магнитное поле.
Эти домены ведут себя как единое целое, «коллективно» меняя намагниченность при приложении электрического поля, освещении светом или других воздействиях, что не позволяет записывать информацию в спины электронов у отдельных атомов. По этой причине ученые сегодня активно разрабатывают альтернативные подходы к хранению информации, так как магнитные системы хранения данных уже почти подошли к этому пределу.
Многие подобные проблемы, как отмечают Сторчак и его коллеги, можно преодолеть, используя абсолютно плоские магнитные материалы, чьими свойствами можно манипулировать на более тонком уровне, чем у их обычных аналогов. За последние годы ученые создали несколько подобных двумерных магнитов, используя вещества, похожие на графен, и раскрыли целый ряд необычных свойств, которые не предсказывались теорией.
Несмотря на всю привлекательность 2D-магнитов для создания электроники, все они обладают одним общим недостатком — они изготавливаются не из кремния, а более дорогих и экзотических материалов, что мешает их быстрому проникновению в промышленность.
Их созданию, как пишут ученые, мешало то, что силицен — кремниевый «кузен» графена — крайне нестабилен по своей природе, из-за чего с ним очень тяжело работать и измерять его свойства. Российские физики решили эту проблему, экспериментируя не с чистым плоским кремнием, а со своеобразными «сэндвичами» из этого материала.
Эти «бутерброды», как объясняют исследователи, состояли из чередующихся слоев силицена и атомов гадолиния и европия, двух редкоземельных металлов с очень сильными магнитными свойствами, чьи атомы заполняли пустоты между сотами из цепочек кремния. Подобная конструкция была более стабильной, чем чистый двумерный материал, что позволило физикам покрыть ее тонким слоем оксида кремния и защитить от разложения при контакте с воздухом.
Первые опыты с подобными «слойками» показали, что даже одинарная комбинация гадолиния, европия и кремния обладает сильными магнитными свойствами, не уступая соединениям хрома и йода и другим плоским магнитным материалам.
Что интересно, увеличение числа слоев в этом «бутерброде» превращает его в уникальный материал, который одновременно демонстрирует и ферромагнитные, и антиферромагнитные свойства. Это делает подобные магниты интересными не только для инженеров, создающих спинтронные вычислительные приборы, но и для физиков-теоретиков, изучающих природу электромагнетизма.
