Электрическое управление магнетизмом в двумерных материалах открывает новые возможности для спинтроники

Современная электроника основана на использовании электрического заряда электронов для обработки и хранения информации. Однако ученые уже давно работают над альтернативной технологией — спинтроникой, где ключевую роль играет не заряд, а собственный магнитный момент электрона, известный как спин.

Исследователи из Университета Мэриленда совместно с коллегами из других научных организаций сделали важный шаг в развитии этой области. Им впервые удалось экспериментально продемонстрировать энергонезависимое электрическое управление магнитными свойствами двумерных материалов, что открывает перспективы создания более быстрых, компактных и экономичных электронных устройств.

Что такое спинтроника?

Спинтроника — это направление современной электроники, использующее магнитные свойства электронов наряду с их электрическим зарядом. Благодаря этому устройства нового поколения потенциально смогут:

• потреблять значительно меньше электроэнергии;
• работать быстрее традиционных микросхем;
• хранить информацию без постоянного питания;
• иметь более компактные размеры.

Одной из основных задач исследователей остается поиск эффективного способа управления магнитными свойствами материалов без больших энергетических затрат.

Как ученым удалось управлять магнетизмом электрическим полем?

В своей работе исследователи использовали особый класс материалов — мультиферроики. Эти материалы одновременно обладают двумя важными свойствами:

• сегнетоэлектричеством — способностью сохранять электрическую поляризацию;
• ферромагнетизмом — способностью сохранять намагниченность.

Когда изменение электрической поляризации вызывает изменение магнитных свойств материала, возникает явление, известное как магнитоэлектрическая связь.

Именно этот эффект исследователям удалось реализовать в специально созданной двумерной гетероструктуре Ван-дер-Ваальса.

Что представляет собой новая гетероструктура?

Для эксперимента ученые использовали два ультратонких материала:

• CuCrP₂S₆ — двумерный сегнетоэлектрик;
• Fe₃GeTe₂ — двумерный ферромагнетик.

После механического разделения материалов на отдельные атомарно тонкие слои исследователи аккуратно соединили их между собой, сформировав единую структуру с максимально чистой границей раздела.

Затем при температуре 153 К (-120 °C) они исследовали изменение магнитных свойств материала под действием электрического напряжения с помощью метода магнитного кругового дихроизма.

Результаты показали, что изменение электрической поляризации действительно приводит к изменению магнитного состояния материала.

Самое важное достижение заключается в том, что эффект оказался энергонезависимым: после отключения питания магнитное состояние сохранялось.

Почему это открытие считается важным?

По словам руководителя исследования Ченга Гонга, это первое экспериментальное подтверждение того, что двумерный сегнетоэлектрик способен надежно управлять магнетизмом двумерного ферромагнетика без постоянного потребления энергии.

Ранее подобные структуры уже изучались, однако добиться стабильного переключения магнитного состояния без непрерывного воздействия электрического поля исследователям не удавалось.

Новая работа подтверждает существование устойчивой магнитоэлектрической связи между двумя материалами.

Возможные области применения

Хотя эксперимент проводился при низкой температуре, полученные результаты могут стать основой для разработки новых электронных компонентов:

• энергонезависимой памяти нового поколения;
• сверхэкономичных микропроцессоров;
• магнитных датчиков высокой чувствительности;
• логических элементов для спинтронных вычислительных систем;
• компонентов квантовой электроники.

Если подобные материалы удастся адаптировать для работы при комнатной температуре, они смогут значительно изменить архитектуру будущих электронных устройств.

Связь исследования с неодимовыми магнитами

Несмотря на то что в исследовании не использовались неодимовые магниты, сама работа напрямую относится к развитию технологий магнетизма.

Сегодня неодимовые магниты остаются самыми мощными постоянными магнитами массового производства и широко применяются:

• в электродвигателях;
• генераторах;
• робототехнике;
• медицинском оборудовании;
• промышленной автоматизации;
• датчиках положения;
• аудиотехнике;
• различных электронных устройствах.

Исследования в области двумерных магнитных материалов могут в будущем привести к появлению новых поколений магнитных компонентов, которые будут сочетать высокую эффективность, компактность и минимальное энергопотребление.

Заключение

Эксперимент ученых из Университета Мэриленда стал важным этапом в развитии спинтроники. Впервые удалось продемонстрировать устойчивое электрическое управление магнетизмом в двумерной гетероструктуре без постоянного расхода энергии.

Хотя технология пока находится на стадии фундаментальных исследований, она открывает перспективы создания энергоэффективной памяти, новых вычислительных устройств и интеллектуальных электронных компонентов следующего поколения.