Редкий аномальный эффект Холла открывает путь к новым спинтронным материалам

Ученые из Национальной лаборатории Эймса в сотрудничестве с группой Индранила Даса из Саха института ядерной физики (Индия) обнаружили неожиданную электронную особенность в соединениях переходных металлов, которая может проложить путь к новому классу спинтронных материалов для вычислительной техники и устройств памяти.

Визуализация вложенности поверхности Ферми в соединении MnPd2In. Автор: U.S. Department of Energy Ames National Laboratory

Спинтроника — область, использующая спин электронов в дополнение к их заряду, — обещает прорывы в таких технологиях, как компьютеры, подобные мозгу, и устройства памяти, сохраняющие данные без питания.

Неожиданная особенность была обнаружена в Mn₂PdIn, соединении Гейслера — типе сплава, ценимого за настраиваемые магнитные и электронные свойства. Такие сплавы могут демонстрировать поведение, нехарактерное для их отдельных элементов, что делает их основными кандидатами для спинтронных приложений.

Ключевые выводы и их значение

Исследование «Вложенность поверхности Ферми и аномальный эффект Холла в магнитно-фрустрированном Mn₂PdIn» опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Традиционные электронные устройства полагаются на заряд электронов, в то время как спинтроника также использует их собственный спин — квантово-механическую сущность, несущую магнитную информацию. Аномальный эффект Холла (АЭХ) — полезное спинтронное явление. Он предоставляет способ считывать и управлять спиновыми сигналами с помощью электричества.

До сих пор АЭХ чаще всего наблюдался в чистых монокристаллических образцах с большими магнитными моментами. Обнаружение сильного АЭХ в поликристаллическом материале с очень низким магнитным моментом — редкость и важно, потому что поликристаллические образцы легче изготовить, а материалы с низким моментом могут работать с меньшими затратами энергии.

Последствия для будущих спинтронных устройств

«Это была именно наша цель — создать материал с очень низким магнитным моментом, который все еще производит сильный АЭХ», — сказал Анис Бисвас, штатный ученый лаборатории Эймса.

«Более низкий магнитный момент означает, что для управления спинами требуется меньше энергии, поэтому это может привести к гораздо более энергоэффективной памяти и другим спинтронным устройствам. Это важный шаг к практичным, малопотребляющим функциональным материалам».

Прашант Сингх, штатный ученый лаборатории Эймса, объяснил, что эффект возникает из-за «вложенности поверхности Ферми», когда части электронной структуры материала выстраиваются определенным образом, заставляя электроны перестраиваться и порождать новое поведение.

«Настраивая электронную структуру, мы смогли запустить эту вложенность и объяснить наблюдаемый нами аномальный сигнал Холла», — сказал Сингх. «Редко удается найти такую особенность в этих материалах, поэтому ее обнаружение сделало работу особенно захватывающей».

Ярослав Мудрик, другой ученый лаборатории Эймса, подчеркнул значимость наблюдения аномального эффекта Холла в поликристаллическом материале. Он также отметил дух сотрудничества, стоящий за открытием, и важный вклад исследователей на ранних этапах карьеры.

«Экспертиза лаборатории Эймса в области магнетизма и исследования электронной структуры в сочетании с сильными сторонами наших коллег в изучении транспортных свойств позволила нам понять эти системы гораздо более проактивно и предсказуемо», — сказал Мудрик.

Больше информации: Afsar Ahmed et al, Fermi Surface Nesting and Anomalous Hall Effect in Magnetically Frustrated Mn₂PdIn, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202513056

Источник: Ames National Laboratory

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальное открытие в физике конденсированного состояния может открыть практические пути к созданию энергоэффективной электроники следующего поколения. Возможность использовать поликристаллические материалы значительно упростит и удешевит производство будущих спинтронных чипов.