Учёные создали двумерный полуметалл для спинтроники

Двухатомный слой железа и палладия (слева, жёлтый/красный): Эксперименты со спиновой микроскопией показали, что только электроны с определённым направлением спина (красный/синий) участвуют в переносе заряда. Автор: Forschungszentrum Jülich / Син Лян Тан

Исследователи из Центра имени Гельмгольца в Юлихе впервые экспериментально подтвердили создание двумерного полуметалла — материала, проводящего электричество с использованием электронов только одного типа спина («спин-вверх» или «спин-вниз»). Результаты работы, опубликованные в журнале «Physical Review Letters» как «Выбор редакции», открывают новые возможности для создания энергоэффективных спинтронных устройств, превосходящих традиционную электронику.

Полуметаллы критически важны для спинтроники: в отличие от обычных проводников, они пропускают электроны только с определённой ориентацией спина. Это делает их идеальными кандидатами для устройств, использующих как заряд, так и спин электронов для хранения и обработки данных. В классической электронике используется только заряд.

До сих пор все известные полуметаллы работали лишь при сверхнизких температурах и теряли свои свойства на поверхности. Однако команда из Юлиха создала двумерный полуметалл в виде сверхтонкого сплава железа и палладия толщиной всего в два атома на кристалле палладия. Используя передовую методику спиновой микроскопии, учёные доказали, что материал проводит только один тип спина, подтвердив долгожданное открытие двумерной полуметалличности.

Устойчивость и настройка

«Материал не требует идеальной кристаллической структуры, что значительно упрощает его производство. Его электронные свойства можно тонко настраивать, изменяя содержание железа», — объясняет аспирант Син Лян Тан из группы доктора Кристиана Туше в Институте Петера Грюнберга.

Открытие также опровергает давнее предположение, что спин-орбитальное взаимодействие мешает полуметалличности. «Напротив, при правильном балансе с магнитным обменом от атомов железа оно способствует эффекту», — добавляет доктор Ин-Цзюнь Чен из Центра Эрнста Руска.

Перспективы для устройств нового поколения

Новый материал может стать основой для спинтронных компонентов, таких как спиновые фильтры и системы спинового момента, критически важных для переключения магнитных состояний в чипах памяти. Благодаря стабильности при комнатной температуре и совместимости с тонкоплёночными технологиями, сплав открывает путь к практическому применению.

Кроме того, материал демонстрирует редкое свойство: его спиновая поляризация противоположна направлению намагниченности, что может привести к новым функциям в наноразмерных магнитных устройствах.

Дополнительная информация: Син Лян Тан и др., «Exchange Engineering of a Two-Dimensional Half-Metal», Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mx46-85zf