Ученые из МФТИ придумали тест на спин-долинность

Физики предложили способ экспериментальной проверки образцов на статус  спин-долинного полуметалла  —  перспективного материала для электроникии будущего и вживляемой биоэлектроники. Результаты исследования опубликованы в Physical Review B.

Иллюстрация. Паспорт для спин-долинных полуметаллов. Дизайнер — Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ.

Современная электроника подходит к пределу своих возможностей: пользователям хочется хранить и обрабатывать все большее количество данных, и делать это они хотят все быстрее. Ученые по всему миру исследуют альтернативные подходы к обслуживанию данных. Они хотят разработать «новую» электронику  — большие данные в ней будут обрабатываться быстро, сами устройства будут маленькими и безопасными даже для вживления в тело человека. 

Для такой новой электроники нужны принципиально другие материалы. Одним из перспективных классов материалов, которые могут сделать идею устройств нового поколения реальной, являются спин-долинные полуметаллы (англ. spin-valley half-metals).

Ожидается, что спин-долинные полуметаллы могут пропускать поляризованный ток, несущий дополнительную информацию, закодированную в их квантовых свойствах (спина и долинного индекса). Получится более эффективная и «плотная» кодировка информации. Также эти материалы не опасны для человека, в отличие от уже известных полуметаллов, в которых обычно содержатся тяжелые металлы. Соответственно, спин-долинные полуметаллы могут быть компонентами вживляемой биоэлектроники. 

Этот класс материалов был предсказан коллективом ученых из МФТИ, ИТПЭ РАН и японского института RIKEN в 2017 году. Согласно представлениям теоретиков, спин-долинные полуметаллы могут получаться из антиферромагнетиков. При каких условиях  — до конца пока неизвестно. Также было непонятно, как экспериментально показать, что какой-то материал будет спин-долинным полуметаллом.

«Мы подумали: а что если направить на материал поток нейтронов? В этой работе мы теоретически рассчитали сечение рассеяния нейтронов на электронах в спин-долинном полуметалле. Картина рассеяния в том числе определяется зонной структурой материала. Зонная структура антиферромагнетика отличается от зонной структуры спин-долинного полуметалла. Мы можем попробовать отличить эти фазы по картине рассеяния»,  —  говорит Дмитрий Хохлов, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ.

Зонная структура материала  —  это его паспорт. Имея картинку зон для какого-то материала, специалисты могут сказать, к какому классу он относится и какими свойствами будет обладать. Исследователи провели расчеты с помощью теории возмущений, стандартного метода для задач рассеяния в квантовой физике. 

В работе сравнивались результаты теоретического рассеяния нейтронов на спин-долинных полуметаллах и антиферромагнетиках. Оказалось, что так как зонная структура обоих материалов имеет характерные особенности, их можно увидеть в спектрах нейтронного рассеяния.

«По нейтронным спектрам что-то сразу определить практически невозможно: слишком много разных каналов рассеяния накладываются друг на друга, затрудняя прямолинейную интерпретацию экспериментальных данных. Требуется время и опыт для понимания полученных спектров. Но, как говорится, дорога в тысячу километров начинается с одного шага. Мы хотели предложить экспериментальный способ обнаружения полуметалличности. Наши теоретические расчеты нейтронных спектров, проведенные в рамках упрощенной модели, показывают, что использование нейтронного рассеяния — идея небезнадежная. Теперь дело за малым: столкнуть теоретическую правду с экспериментальной реальностью и посмотреть, кто выйдет победителем в этой схватке»,  —  комментирует Александр Рожков, доцент кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ.

Исследователи неслучайно взяли для сравнения антиферромагнетики. В этих веществах спины атомов или ионов упорядочены особым образом даже без внешнего магнитного поля. Некоторые ученые считают, что именно антиферромагнетики могут быть предшественниками спин-долинных полуметаллов. Спектр нейтронного рассеяния в экспериментальных исследованиях часто измеряют после дополнительных воздействий  —  нагрева, охлаждения, деформации  —  чтобы проверить, приводят ли эти воздействия к изменению свойств образца. В данном случае нейтронное рассеяние может показать, поменялось ли состояние вещества с антиферромагнетика на спин-долинный полуметалл.

В работе, кроме ученых из Московского физико-технического института, также принимали участие исследователи из Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, Высшей школы экономики, Института электродинамики РАН и Сколтеха. 

mipt.ru