Физики сделали важный шаг к управлению спинами в антиферромагнетиках

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

На протяжении десятилетий ферромагнитные материалы лежали в основе таких технологий, как магнитные жесткие диски, оперативная память с произвольным доступом и осцилляторы. Однако антиферромагнетики, если бы их удалось «приручить», открывают еще большие перспективы: сверхбыструю передачу информации и коммуникации на гораздо более высоких частотах — настоящий «Святой Грааль» для физиков.

Теперь исследователи сделали значительный шаг к использованию антиферромагнетиков в новых технологиях. В статье «Spin-filter tunneling detection of antiferromagnetic resonance with electrically-tunable damping», опубликованной в журнале Science, они описывают инновационный подход для обнаружения и управления движением спинов в антиферромагнетиках с использованием двумерных материалов и туннельных переходов.

Оба типа материалов содержат атомы, которые ведут себя как крошечные магниты, обладающие «спином». В ферромагнетиках все эти спины выровнены, создавая внешнее магнитное поле. В антиферромагнетиках спины атомов компенсируют друг друга, поэтому внешнее поле не возникает. Именно поэтому так сложно не только обнаружить движение спинов в антиферромагнетиках, но и управлять ими.

До сих пор обнаружение спиновой динамики в антиферромагнетиках проводилось на образцах размером в миллиметр или больше, что «не масштабируется до размеров полезных устройств», — отметил соавтор исследования Дэн Ральф, профессор физики Корнеллского университета.

«Мы создали устройства микрометрового масштаба, где можем наблюдать сильные сигналы, используя туннельные переходы для электрического обнаружения движения спинов — и это почти в 1000 раз меньше, чем удавалось ранее», — сказал Ральф.

Туннелирование — это квантовомеханическое «просачивание» электрона через барьер, который классическая частица преодолеть не может. Это не прямой поток электронов, а проникновение электронной волновой функции через барьер.

«Электроны могут вести себя забавно», — добавил Ральф, отметив, что туннелирование широко используется в различных технологиях.

Когда спины в антиферромагнетике меняют направление внутри туннельного перехода, это изменяет электрическое сопротивление, связанное с туннелирующими электронами, что дает способ измерения спиновой динамики.

Симуляция антиферромагнитной динамики. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq8590

Этот метод электрического обнаружения работает на очень высоких скоростях. Большинство технологий не способны детектировать такие частоты.

«Это один из наших прорывов: мы используем туннелирование — квантовомеханическое поведение электронов — для считывания этих чрезвычайно быстрых колебаний», — пояснила соавтор Келли Луо, бывший постдок Корнеллского университета, а ныне доцент Университета Южной Калифорнии.

Прорыв стал возможен благодаря объединению двух областей: двумерных материалов и спинтроники, отметил ведущий автор исследования Тоу Мин Джеральд Чам.

Для управления спинами в двумерном антиферромагнетике исследователи использовали механизм спин-орбитального момента. Пропуская ток через материал, они создавали спиновый ток, который мог взаимодействовать с магнитом, прикладывая к нему момент и заставляя его двигаться.

«Мы искали способ манипулировать спинами, чтобы можно было детектировать отдельные двумерные слои, но не могли понять, какой слой что делает. Тогда мы придумали идею нарушить симметрию, скрутив слои», — объяснил Чам, ныне постдок в Калифорнийском технологическом институте.

«С такой геометрией мы можем использовать токи со спин-орбитальным моментом, чтобы приложить силу только к одному спиновому слою, а не к другому — это первый шаг к управлению спиновой динамикой», — добавил Ральф.

Исследователи отмечают, что антиферромагнетики обладают огромным потенциалом для создания наноосцилляторов высокочастотных приложений, и продолжают изучать эту возможность.

Среди других соавторов работы — Сяоси Хуан (постдок в лаборатории Ральфа), Дэниел Чика и Ксавье Рой (Колумбийский университет), а также Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи (Национальный институт материаловедения, Япония).

Дополнительная информация: Thow Min Jerald Cham et al, Spin-filter tunneling detection of antiferromagnetic resonance with electrically tunable damping, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq8590

Источник: Cornell University