Морщины в двумерных материалах открывают путь к ультраэффективной электронике

Представление спинов электронов в изогнутом 2D-материале, демонстрирующем структуру устойчивой спиновой спирали. Автор: Санни Гупта

Морщины могут стать преимуществом — особенно для электроники следующего поколения. Учёные из Университета Райса обнаружили, что крошечные складки в двумерных материалах могут управлять спином электронов с рекордной точностью, открывая путь к ультракомпактным и энергоэффективным электронным устройствам.

Если большинство современных устройств используют заряд электронов, протекающих через кремний, для обработки и кодирования информации, то будущие вычисления могут вместо этого использовать спин — квантовое свойство электронов, которое принимает значение «вверх» или «вниз». Вычисления со спином могут преодолеть ограничения современной кремниевой технологии, сокращая энергопотребление устройств и центров обработки данных в момент, когда энергопотребление, driven by computing, стремительно растёт во всём мире.

Однако спинтронике приходится сталкиваться с серьёзной проблемой: информация, закодированная в спине, быстро распадается и может быть потеряна, когда электроны в материале рассеиваются и сталкиваются с атомами.

В исследовании, опубликованном в журнале Matter, учёные-материаловеды сообщили, что изгибание атомарно тонких слоёв материалов, таких как дителлурид молибдена, приводит к уникальной спиновой текстуре, называемой устойчивой спиновой спиралью (PSH), которая может сохранять спиновое состояние даже при рассеивающих столкновениях.

«В обычных материалах спин связан с импульсом электрона, поэтому изменение направления изменяет спин, тогда как в материалах с состояниями PSH спиновое состояние остаётся фиксированным», — пояснил Санни Гупта, выпускник Райса и постдокторант, первый автор исследования. «Очень немногие материалы в природе могут содержать PSH, что делает его редким и до сих пор трудным для изготовления».

Исследовательская группа под руководством учёного-материаловеда Бориса Якобсона выдвинула гипотезу, что морщины в 2D-материалах могут быть способом управления спиновыми состояниями электронов: когда 2D-материал изгибается, верхняя сторона листа растягивается, а нижняя сжимается. Это неравномерное напряжение заставляет положительные и отрицательные заряды слегка смещаться относительно друг друга, создавая внутреннее электрическое поле — явление, известное как флексоэлектрическая поляризация.

Маной Маттур и Борис Якобсон. Автор: Хорхе Видал / Университет Райса

Спины электронов в изогнутом 2D-материале взаимодействуют с флексоэлектрическим эффектом, создаваемым кривизной листа, что заставляет электроны со спином вверх и вниз разделяться на отдельные зоны или области. Чем выше кривизна, тем сильнее это взаимодействие. В максимальной степени изогнутые области производят настолько сильный эффект, что спины электронов демонстрируют желаемую спиральную форму и переключаются между состояниями «вверх» и «вниз», проходя всего около 1 нанометра.

«Волнистость распространена в 2D-материалах, проявляясь в виде морщин или самоподдерживающихся петельных петель при складывании — создавая области с чрезвычайно высокой кривизной», — сказал Гупта. «Мы демонстрируем, что в таких складках-шпильках в дителлуриде молибдена состояния PSH могут достигать длины спиновой прецессии около 1 нанометра — самой короткой из зарегистрированных на сегодняшний день».

Короткая длина прецессии означает, что спинтронные устройства могут быть намного компактнее.

«Эта работа устанавливает контролируемый изгиб 2D-материалов как стратегию для создания различных и экзотических профилей поля», — сказал Якобсон, профессор материаловедения и наноинженерии имени Карла Ф. Хассельмана в Райсе и соответствующий автор исследования. «Скромное „механическое щипковое движение“, которое легко происходит в 2D-материалах, разделяет спины и индуцирует PSH-текстуру».

Гупта отметил, что исходная предпосылка исследования была несколько контринтуитивной, поскольку «квантовое поведение и упругая механика — это две разные области физики, которые редко пересекаются».

«Здесь мы показали, что не только макроскопические изменения в геометрии или форме 2D-материалов оказывают влияние на глубокое квантово-релятивистское взаимодействие между спином электрона и ядрами, но и что этот эффект можно использовать для создания экзотических спиновых текстур для новейшей спинтроники», — сказал он.

Больше информации: Санни Гупта и др., Механическая складка в 2D-материалах — платформа для большого спинового расщепления и устойчивой спиновой спирали, Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102378

Источник: Rice University