Ученые нашли способ использовать антиферромагнетики

Способ использовать антиферромагнитные изоляторы для создания элемента, применяемого в микроэлектронике и спинтронике, — спинового вентиля, разработала международная команда в составе ученых из Норвежского университета науки и технологий, Автономного университета Мадрида и Московского физико-технического института, 25 декабря сообщает журнал МФТИ «За науку».

Своей работой они доказали ошибочность убеждения французского физика Луи Нееля, получившего в 1970 году Нобелевскую премию за работы по антиферромагнетикам, но при этом уверенного, что такие материалы не найдут практического применения.

Оказалось, благодаря международной команде физиков, что всё-таки можно управлять общей намагниченностью материала, в котором магнитные моменты соседних атомов или ионов ориентированы навстречу друг другу, т. е. антипараллельно, и поэтому намагниченность тела в целом равна нулю.

Спиновые вентили используются в том числе в элементах памяти компьютеров и сначала представляли собой два слоя ферромагнетика с немагнитным металлом между ними. Такое устройство обладает огромным магнетосопротивлением, причем его сопротивление в большой степени зависит от ориентации векторов намагниченности ферромагнетных слоев: их параллельности или антипараллельности.

Прикладывая внешнее магнитное поле, можно изменять ориентацию этих слоев, соответственно изменяя магнетосопротивление. Спиновый вентиль, находящийся в считывающей головке жесткого диска компьютера, по изменению сопротивления на считываемом в данный момент участке диска определяет, записана на нем единица или ноль.

Для улучшения свойств таких вентилей металлический изолятор между слоями ферромагнетика заменили на сверхпроводник. При этом изменение взаимной ориентации ферромагнитных слоев позволяет переводить сверхпроводник из сверхпроводящего состояния (нулевое сопротивление) в обычное, и обратно.

Заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ д. ф.-м. н. Ирина Бобкова пояснила:

«Далее возникло такое направление, как антиферромагнитная спинтроника. Идея заменить все ферромагнетики на антиферромагнетики хороша как минимум по двум причинам. Во-первых, у антиферромагнетиков нет собственных магнитных полей, которые могли бы влиять на соседние элементы и создавать помехи, так как магнитные моменты атомов в этих материалах компенсируют друг друга. Во-вторых, у антиферромагнетиков гораздо более высокие собственные частоты, и поэтому можно уменьшить время отклика устройств на их основе на несколько порядков».

«Как мы знаем, суммарная намагниченность антиферромагнетика равна нулю, так как магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны, — продолжила свое пояснение Ирина Бобкова. — А разность намагниченностей двух соседних атомов будет отлична от нуля, и вот эта разница называется неелевским вектором».

Неелевский вектор является основной величиной, которую ученые используют, работая с антиферромагнетиками. Отсюда вытекает важность задачи ее контроля. В своей работе команда ученых предложила способ считывания взаимной ориентации этих векторов.

Идея состояла в том, что в случае антипараллельности неелевских векторов двух антиферромагнетиков в структуре «антиферромагнетик — сверхпроводник — антиферромагнетик», критическая температура, при которой сверхпроводник переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное, будет выше, чем в случае их параллельности.

«Таким образом мы можем определить взаимную ориентацию векторов точно так же, как в обычных спиновых вентилях можно определять взаимную ориентацию намагниченности, поэтому этот эффект очень важен для антиферромагнитной спинтроники», — заключила Ирина Бобкова.

Результаты своей работы ученые представили в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.