Электрическое поле переключило магнитное состояние двумерного материала

Спинтроника — направление в электронике, в котором информацию несут не только заряды электронов, но и их «спин» — встроенный магнитный момент. Такие устройства теоретически быстрее, потребляют меньше энергии и позволяют хранить информацию надёжнее, чем стандартная электроника. Ключевая задача для инженеров — найти эффективный способ управлять магнетизмом без громоздких магнитных полей.

Новое исследование, описанное на phys.org, делает важный шаг в этом направлении. Команда учёных из Тяньгунского университета и Цзянсуского педагогического университета (Китай) показала: в двумерном галидном перовскит-антиферромагнетике антиферроэлектрическое переключение, вызванное электрическим полем, позволяет обратимо переключаться между различными антиферромагнитными состояниями. Работа опубликована в Advanced Science.

Антиферромагнетики: почему они привлекательны для спинтроники

В отличие от обычных ферромагнетиков, антиферромагнетики не создают внешнего магнитного поля — их магнитные подрешётки скомпенсированы. Это придаёт им ряд ценных для электронных применений свойств:

• нечувствительность к внешним магнитным полям — информация не стирается случайными магнитными помехами;
• работа на терагерцовых частотах — принципиально выше предела обычных ферромагнетиков;
• нулевое паразитное излучение — минимальная магнитная «утечка» между соседними элементами микросхемы.

Сложность — в управлении ими. Как записать информацию в антиферромагнетике? Стандартный ответ — электрический ток или магнитное поле. Но эти методы либо потребляют много энергии, либо требуют внешней инфраструктуры. Управление через электрическое поле — то есть напряжение, а не ток — позволяет снизить энергопотребление на несколько порядков.

Принцип нового механизма

Двумерный материал, использованный в исследовании, — галидный перовскит, совмещающий в себе антиферроэлектрические и антиферромагнитные свойства. Это делает его «мультиферроиком» — веществом, в котором несколько типов упорядоченности (электрической и магнитной) сосуществуют и связаны между собой.

Когда к материалу прикладывается электрическое поле, оно переключает поляризацию антиферроэлектрических доменов. Через внутреннюю связь между решётками это переключение одновременно меняет расположение спинов в антиферромагнитных подрешётках, переводя материал из одного магнитного состояния в другое.

Ключевое: это переключение обратимо и не требует магнитного поля. Достаточно изменить напряжение на контактах.

Расчёты на основе теории функционала плотности (DFT) подтвердили, что антиферромагнитное состояние является основным (с энергией, более низкой на 0,11–0,12 эВ на формульную единицу, чем ферромагнитное или немагнитное), а переключение через антиферроэлектрику ведёт к различным устойчивым антиферромагнитным конфигурациям, отличимым по симметрии.

Что это открывает для технологий

Электрическое управление спиновой электронной структурой антиферромагнетиков — принципиально важный и пока слабо изученный класс явлений. Доказательство этой концепции в двумерном материале открывает несколько практических направлений:

• энергонезависимые спиновые ячейки памяти, переключаемые напряжением без тока;
• логические элементы, работающие со спиновой, а не зарядовой информацией;
• двумерные многофункциональные устройства, совмещающие память и логику в одном слое.

Читайте также: магнитные структуры помогли изучить материалы для спинтроники.

До практических приборов предстоит длинный путь: от фундаментального расчётного исследования до работающего устройства — несколько поколений материальных и инженерных разработок. Но принцип продемонстрирован именно там, где его искали: в двумерном материале, где управление достигается только электрическим полем.