Достигнут обратимый эффект спин-расщепления в альтермагнитных тонких плёнках RuO₂

Исследовательская группа из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) совершила прорыв в управлении спиновыми сигналами в новом магнитном материале, прокладывая путь для электронных устройств следующего поколения. Их работа демонстрирует метод обратимого переключения направления преобразования спина в заряд — ключевой шаг к созданию сверхбыстрых и энергоэффективных спинтронных полупроводников, не требующих сложных установок или сильных магнитных полей.

Схематическое представление зависимости реверсирования сигналов преобразования спина в заряд от вектора Нееля. Автор: Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03644

Под руководством профессора Чжун-Ву Ю из Департамента материаловедения и инженерии и профессора Чангхи Сона из Департамента физики UNIST команда экспериментально показала, что в альтермагнитном материале — оксиде рутения (RuO₂) — процесс преобразования спиновых токов в электрические сигналы можно точно контролировать и переключать по желанию.

Этот прорыв, как ожидается, ускорит разработку маломощных устройств, способных обрабатывать информацию эффективнее современных технологий. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.

Альтермагнетики и их уникальные свойства

RuO₂ привлёк внимание как «третий вид» магнитного материала — альтермагнетик, — который сочетает в себе желаемые свойства как ферромагнетиков, так и антиферромагнетиков. Теоретически этот материал предлагает потенциал для преодоления скоростных ограничений традиционных полупроводников и повышения энергоэффективности. Однако главным препятствием оставалась надёжная управляемость процесса преобразования спина в заряд, что необходимо для интеграции таких материалов в электронные компоненты.

Команде удалось продемонстрировать, что, регулируя внутренний магнитный порядок материала, а именно вектор Нееля, можно обратимо переключать полярность сигнала преобразования спина в заряд. Проще говоря, поворот магнитной ориентации внутри материала на 180 градусов позволяет переключать электрический выход между положительным и отрицательным состояниями. Это энергонезависимое управление означает, что информацию можно хранить и манипулировать ею без постоянного питания, что критически важно для будущих устройств памяти и логики.

Экспериментальный подход и будущие перспективы

В отличие от предыдущих подходов, которые полагались на сложные многослойные структуры или внешние магнитные поля, исследователи создали устройство, уложив подложки из диоксида титана (TiO₂) слоями RuO₂ и кобальт-железо-бора (CoFeB). Затем они использовали температурные градиенты для генерации спиновых токов, которые преобразовывались в измеримые электрические сигналы внутри слоя RuO₂.

«Наши эксперименты подтверждают, что спиновые сигналы в альтермагнитных материалах, таких как RuO₂, можно надёжно контролировать и обращать, — сказал профессор Ю. — Этот принцип может привести к созданию более быстрых и энергоэффективных спиновых логических устройств и устройств памяти».

Проект был нацелен на продвижение фундаментальных исследований с высоким потенциалом влияния, которые часто считаются слишком сложными или рискованными. Впечатляет, что команда завершила весь процесс — от синтеза материала до тестирования устройства — всего за год с небольшим.

Донхо Ким, менеджер программы в Агентстве передовых научных и технологических исследований (ASTRA), прокомментировал: «Это достижение является примером инновационных исследований, движимых смелыми экспериментами. Мы продолжим поддерживать такие усилия, чтобы эта технология стала ключевым активом для полупроводниковой промышленности Кореи».

Больше информации: Hyeonjung Jung et al, Reversible Spin Splitting Effect in Altermagnetic RuO₂Thin Films, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03644

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology

ИИ: Это исследование — важный шаг на пути к практическому применению спинтроники. Управление спиновыми состояниями без громоздкого оборудования открывает двери для создания принципиально новых процессоров и ячеек памяти, которые могут кардинально изменить ландшафт вычислительной техники в ближайшие десятилетия.