Група дослідників Національного інституту матеріалознавства (NIMS), Токійського університету, Кіотського технологічного інституту та Університету Тохоку показала, що тонкі плівки діоксиду рутенію (RuO₂) демонструють альтермагнетизм. Це нещодавно виявлений тип магнетизму, який відрізняється від відомих феромагнетизму та антиферомагнетизму.
Дослідження опубліковано в журналі Nature.
Магнітні матеріали відіграють важливу роль у пристроях пам'яті. Феромагнетики полегшують запис даних, але чутливі до мандрівних магнітних полів, які можуть викликати помилки в міру зменшення розмірів та збільшення щільності пристроїв. Антиферомагнетики більш стійкі до перешкод, але їх спінова структура компенсує один одного, що ускладнює електричне зчитування інформації, що зберігається. Альтермагнетики пропонують проміжний варіант. Вони не мають сумарної намагніченості, як антиферомагнетики, але все ж таки дозволяють електрично зчитувати властивості, пов'язані зі спіном. Як зазначають дослідники, "альтермагнетизм відкриває гостроцікаві можливості для спінтронних пристроїв завдяки унікальному поєднанню сильного спінового розщеплення та нульової сумарної намагніченості".
Спінтронні пристрої використовують спін електронів поряд з їх зарядом для обробки та зберігання інформації способами, що перевершують традиційну електроніку. Використовуючи спінові стани, вони забезпечують вищу швидкість перемикання, менше енергоспоживання та енергонезалежну пам'ять, що зберігає дані без постійного живлення. Це робить їх високоефективними, довговічними та масштабованими для сучасних програм. Стійкість до радіації та перепадів температури додатково підвищує надійність, а такі технології, як магнітна оперативна пам'ять (MRAM), демонструють свій потенціал для революціонізації обчислювальної техніки та зберігання даних, наприклад, пам'яті, жорстких дисків та твердотілих накопичувачів.
Нові технології можуть стати кращим рішенням для корпорацій, що прагнуть високої продуктивності ШІ, що потенційно може знизити поточну кризу серед наявних продуктів.
Однією з головних проблем було одержання високоякісних зразків. У цьому дослідженні команда успішно виготовила тонкі одноваріантні плівки RuO₂(101) з повністю епітаксійним зростанням на підкладках Al₂O₃(1̅02) r-площини. Це означає, що атомні грати плівки були вирівняні в одному напрямку, а не випадковим чином. Для цього вирівнювання вирішальне значення мало відповідність розташування атомів кисню на поверхнях RuO₂(101)[010] та Al₂O₃(1̅02)[11̅0]. Результат був підтверджений детальними структурними дослідженнями з використанням рентгенівської дифракції, просвічуючої електронної мікроскопії з атомною роздільною здатністю та рентгенівського магнітного лінійного дихроїзму.
Ретельне вирівнювання дозволило чітко побачити магнітну поведінку. Команда безпосередньо спостерігала, що магнітні полюси взаємно компенсуються, і виміряла спін-розщеплений магнітоопір, при якому електричний опір змінюється залежно від орієнтації спіну. Вони також протестували двошарові структури RuO₂(101)/CoFeB і виявили, що зростання з одним варіантом дуже впливає на спіновий транспорт.
Щоб пояснити важливість орієнтації, дослідники порівняли це з укладанням плитки на підлогу. Якщо плитку укладено під випадковими кутами, візерунки важко побачити. Якщо вони вирівняні в одному напрямку, структура стає очевидною. Аналогічно, вирівнювання кристалографічних осей RuO₂ виявило його основні магнітні властивості.
"Ці результати показують, що контроль кристалографічної орієнтації є ключем до виявлення та використання альтермагнетизму в тонких плівках RuO₂", - сказав член дослідницької групи. "Цей підхід дозволяє нам пов'язати теоретичні передбачення з експериментальними спостереженнями".
Отримані результати збіглися з розрахунками теорії функціоналу густини з перших принципів, що підтверджує правдивість інтерпретації. Продемонструвавши плівки RuO₂(101) з одним варіантом, команда зробила значний крок уперед у вивченні альтермагнетизму.
Надалі вони планують досліджувати запам'ятовувальні пристрої, які використовують тонкі плівки RuO₂ для швидшої та ефективної обробки інформації. Розроблені методи магнітного аналізу на основі синхротронного випромінювання також можуть бути застосовані до інших потенційних альтермагнетичних матеріалів, відкриваючи шлях до ширшого прогресу в спінтроніку.
Джерела: Університет Тохоку, Nature
