Коллектив ученых из России и Тайваня впервые экспериментально обнаружил и теоретически обосновал возникновение антиферромагнитного слоя в композитном материале из углеродной пленки и наночастиц кобальта. Возникновение такого слоя в материале из полупроводника и намагниченного вещества приводит к появлению так называемого обменного сдвига — изменению в реакции намагниченности материала в ответ на внешнее магнитное поле. Материал с такими свойствами может быть использован для устройств спинтроники. Спинтроника — это новая отрасль электроники, которая позволит уменьшит размеры и повысить скорость работы электронных устройств. Материалы исследований опубликованы в журналах Carbon и Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (ФИЦ КНЦ СО РАН), Сибирского федерального университета и нескольких университетов Тайваня получили композитный материал из углеродной пленки с вкраплениями наночастиц кобальта. В этой паре кобальт является веществом с выраженными магнитными свойствами, а углерод — полупроводником. Однако при исследовании магнитных свойств композита выяснилось, что он обладает свойством характерным для слоистых структур из ферромагнитных и антиферромагнитных материалов. Это так называемый обменный сдвиг — не симметричное усиление и уменьшение намагниченности материала при последовательных переключениях направления внешнего магнитного поля. Оказалось, что на границе между кобальтом и углеродом, в результате взаимодействия электронов двух этих элементов, возникает тонкий антиферромагнитный слой. Этот эффект для структуры из углерода и ферромагнитного металла был зафиксирован и получил теоретическое объяснение впервые.
«Вообще мы движемся параллельно, в нашем институте сейчас разрабатываются схожие структуры, но на основе железа и кремния. В данном исследовании за основу взят углерод. У углерода есть одно важное преимущество. Это относительно дешевый материал. Более-менее понятно, как делать углеродные пленки. Но до каких-то промышленных применений пока далеко. Да, обнаружено, что при взаимодействии кобальта и углерода возникает антиферромагнитный слой. Наличие такого слоя — основа для использования спиновых эффектов, то есть управления электромагнитными свойствами материала с помощью внешнего магнитного поля. Вполне возможно, что в будущем использование других веществ, не кобальта, позволит получить более эффективные материалы. Сейчас во всем мире идут поиски материалов и попытки выйти на промышленное производство спиновых транзисторов. Это уменьшит размеры и ускорит работу многих электронных устройств», — рассказывает один из авторов работы, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Сергей Овчинников.
Спиновые эффекты сегодня массово используются в жестких дисках памяти на всех без исключения электронных устройствах. Принцип работы спинтроники в этом случае прост. Информация в компьютере записывается и передается в виде последовательностей двух символов 0 и 1. Для того чтобы сохранить, а после считать эту информацию нужны крошечные устройства, которые могут находиться в двух состояниях. Например, вкл. — 0, а выкл. — 1. Диск памяти — это последовательность таких устройств, каждое из которых при взаимодействии со считывающей головкой будет находиться в нужном состоянии. Начиная с середины нулевых годов для производства жестких дисков памяти стали применять считывающие головки, использующие спиновые эффекты спинтроники. Взаимодействие магнитного поля, спинов ячейки и считывающей головки, ориентирует спины таким образом, что ячейка либо пропускает, либо не пропускает ток — состояния 0 или 1.
«Наше исследование — это классический пример международного сотрудничества. Сергей Жарков из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, работая в центре коллективного пользования Сибирского федерального университета, обладает уникальным умением исследовать магнитные частицы на электронном микроскопе высокого разрешения. Все анализы структуры материала в этом исследовании — его рук дело, — поясняет особенности работы Сергей Овчинников — мой вклад был связана с теоретическим анализом причин возникновения антиферромагнитного слоя. Когда спиновые эффекты стали использовать для создания жестких дисков, произошел скачок в скорости считывания и объемах хранения информации. Сейчас электроника на основе полупроводников приближается к пределу миниатюризации. В классическом полупроводнике мы управляем его состоянием с помощью электрического поля. Если мы создаем спиновый транзистор, то добавляется возможность управлять его состоянием с помощью магнитного поля. Такие устройства занимают меньше места, работают быстрее и выделяют меньше тепла, чем обычные полупроводниковые конструкции. Более того, в нашей работе с тайванскими коллегами в качестве основного материала используется не привычный для электроники кремний, а углерод. Углеродная электроника рассматривается многими, как следующий, посткремниевый этап развития компьютерных технологий»
Исследование выполнено в рамках долгосрочного сотрудничества между Сибирским отделением Российской академии наук и Министерством науки и технологий Тайваня. Работа выполнялась в рамках проекта Совета по грантам при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ.
Группа научных коммуникаций Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН
