Дженнифер Чу, Массачусетский технологический институт. под редакцией Лизы Лок, рецензент Роберт Эган
2 (черные сферы представляют атомы Ni) обеспечивает электрически переключаемый (белые зубчатые линии) p-волновой магнетизм. Электроны со спином вверх (оранжевые точки) и спином вниз (синие точки) распространяются в противоположных направлениях и меняют свои пути, когда направление спирального магнитного порядка переключается (левое против правого).
Кредит: Массачусетский технологический институт
Физики Массачусетского технологического института продемонстрировали новую форму магнетизма, которую однажды можно будет использовать для создания более быстрых, плотных и менее энергоемких «спинтронных» чипов памяти. Новое магнитное состояние представляет собой смесь двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма обычных магнитов на холодильнике и стрелок компаса и антиферромагнетизма, при котором материалы обладают магнитными свойствами в микромасштабе, но не намагничены макроскопически. Теперь команда Массачусетского технологического института продемонстрировала новую форму магнетизма, названную «p-волновым магнетизмом».
Физики давно заметили, что электроны атомов в обычных ферромагнетиках имеют одинаковую ориентацию «спина», как множество крошечных компасов, указывающих в одном направлении. Такое выравнивание спинов создает магнитное поле , которое придает ферромагнетику присущий ему магнетизм. Электроны, принадлежащие магнитным атомам в антиферромагнетике, также имеют спин, хотя эти спины чередуются, при этом электроны, вращающиеся вокруг соседних атомов, выстраивают свои спины антипараллельно друг другу. Взятые вместе, равные и противоположные спины компенсируют друг друга, и антиферромагнетик не проявляет макроскопической намагниченности. Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в иодиде никеля (NiI 2 ), двумерном кристаллическом материале, который они синтезировали в лаборатории. Как и в ферромагнетике, электроны демонстрируют предпочтительную ориентацию спина, и, как в антиферромагнетике, равные популяции противоположных спинов приводят к чистой отмене. Однако спины на атомах никеля демонстрируют уникальный рисунок, образуя спиральные конфигурации внутри материала, которые являются зеркальными отражениями друг друга, подобно тому, как левая рука является зеркальным отражением правой руки. Более того, исследователи обнаружили, что эта спиральная конфигурация спинов позволяет им осуществлять «переключение спинов»: в зависимости от направления спиральных спинов в материале они могут прикладывать небольшое электрическое поле в соответствующем направлении, чтобы легко переворачивать левую спираль спинов в правую спираль спинов и наоборот. Возможность переключения электронных спинов лежит в основе «спинтроники», которая является предлагаемой альтернативой обычной электронике. При таком подходе данные могут быть записаны в форме спина электрона, а не его электронного заряда, что потенциально позволяет упаковать на порядки больше данных на устройстве, используя при этом гораздо меньше энергии для записи и чтения этих данных.
«Мы показали, что этой новой формой магнетизма можно управлять электрически», — говорит Цянь Сун, научный сотрудник Лаборатории исследований материалов Массачусетского технологического института. «Этот прорыв прокладывает путь новому классу сверхбыстрых, компактных, энергоэффективных и энергонезависимых устройств магнитной памяти». Сонг и его коллеги опубликовали свои результаты 28 мая в журнале Nature . Соавторами из Массачусетского технологического института являются Коннор Оккиалини, Батыр Ильяс, Эмре Эргечен, Нух Гедик и Риккардо Комин, а также Рафаэль Фернандес из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и сотрудники из множества других учреждений.
Соединяем точки
Открытие расширяет работу группы Комина в 2022 году. В то время команда исследовала магнитные свойства того же материала, йодида никеля. На микроскопическом уровне йодид никеля напоминает треугольную решетку атомов никеля и йода. Никель является основным магнитным ингредиентом материала, поскольку электроны на атомах никеля проявляют спин, а на атомах йода — нет. В ходе этих экспериментов группа наблюдала, что спины атомов никеля располагались в спиральной структуре по всей решетке материала, и эта структура могла закручиваться в двух различных ориентациях. В то время Комин понятия не имел, что эта уникальная схема атомных спинов может обеспечить точное переключение спинов в окружающих электронах. Эта возможность была позже выдвинута его коллегой Рафаэлем Фернандесом, который вместе с другими теоретиками был заинтригован недавно предложенной идеей нового, нетрадиционного магнита с «p-волнами», в котором электроны, движущиеся вдоль противоположных направлений в материале, имели бы свои спины, выровненные в противоположных направлениях.
Фернандес и его коллеги поняли, что если спины атомов в материале образуют геометрическую спиральную структуру, которую Комин наблюдал в иодиде никеля, то это будет реализацией магнита с «p-волнами». Затем, когда электрическое поле применяется для переключения «рукоположения» спирали, оно также должно переключать выравнивание спинов электронов, движущихся в том же направлении. Другими словами, такой p-волновой магнит может обеспечить простое и контролируемое переключение электронных спинов таким образом, что это может быть использовано в спинтронных приложениях. «В то время это была совершенно новая идея, и мы решили проверить ее экспериментально, поскольку поняли, что иодид никеля является хорошим кандидатом для демонстрации такого рода магнитного эффекта p-волны», — говорит Комин.
Спиновый ток
Для своего нового исследования команда синтезировала монокристаллические хлопья йодида никеля, сначала нанеся порошки соответствующих элементов на кристаллическую подложку, которую они поместили в высокотемпературную печь. Процесс заставляет элементы оседать в слои, каждый из которых микроскопически расположен в треугольной решетке атомов никеля и йода. «Из печи выходят образцы шириной в несколько миллиметров и тонкие, как крекер», — говорит Комин. «Затем мы расслаиваем материал, снимая еще более мелкие хлопья, каждая шириной в несколько микрометров и толщиной в несколько десятков нанометров». Исследователи хотели узнать, действительно ли спиральная геометрия спинов атомов никеля заставит электроны, движущиеся в противоположных направлениях, иметь противоположные спины, как того, что Фернандес ожидал от магнита с p-волнами. Чтобы это наблюдать, группа направила на каждую чешуйку луч циркулярно поляризованного света — света, который создает электрическое поле, вращающееся в определенном направлении, например, по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Они рассуждали так: если движущиеся электроны, взаимодействующие со спиновыми спиралями, имеют спин, выровненный в том же направлении, то входящий свет, поляризованный в том же направлении, должен резонировать и производить характерный сигнал. Такой сигнал подтвердил бы, что спины движущихся электронов выровнены из-за спиральной конфигурации, и, кроме того, что материал действительно проявляет p-волновой магнетизм. И действительно, это то, что обнаружила группа. В экспериментах с несколькими хлопьями йодида никеля исследователи напрямую наблюдали, что направление спина электрона коррелировало с направленностью света, используемого для возбуждения этих электронов. Такова контрольная сигнатура p-волнового магнетизма, здесь наблюдаемая впервые. Пойдя на шаг дальше, они посмотрели, могут ли они переключать спины электронов, прикладывая электрическое поле или небольшое напряжение вдоль разных направлений через материал. Они обнаружили, что когда направление электрического поля совпадало с направлением спиновой спирали, эффект переключал электроны вдоль маршрута на вращение в том же направлении, создавая ток электронов с одинаковым спином. «С таким током спина вы можете делать интересные вещи на уровне устройства; например, вы можете переворачивать магнитные домены, которые можно использовать для управления магнитным битом», — объясняет Комин. «Эти спинтронные эффекты более эффективны, чем обычная электроника, потому что вы просто перемещаете спины, а не перемещаете заряды. Это означает, что вы не подвергаетесь никаким эффектам рассеивания, которые генерируют тепло, что, по сути, является причиной нагрева компьютеров». «Нам просто нужно небольшое электрическое поле , чтобы управлять этим магнитным переключением», — добавляет Сонг. «Магниты P-волны могли бы сэкономить пять порядков энергии. Это очень много».
«Мы рады видеть, что эти передовые эксперименты подтверждают наше предсказание p-волновых спин-поляризованных состояний», — говорит Либор Шмейкал, глава исследовательской группы Макса Планка в Дрездене, Германия, который является одним из авторов теоретической работы, предложившей концепцию p-волнового магнетизма, но не принимавший участия в новой статье. «Демонстрация электрически переключаемой p-волновой спин-поляризации также подчеркивает многообещающие приложения нетрадиционных магнитных состояний». Группа ученых наблюдала магнетизм p-волн в хлопьях йодида никеля только при сверхнизких температурах около 60 градусов Кельвина. «Это ниже жидкого азота, что не обязательно практично для приложений», — говорит Комин. «Но теперь, когда мы осознали это новое состояние магнетизма, следующим рубежом является поиск материала с такими свойствами при комнатной температуре. Затем мы сможем применить это к спинтронному устройству».
Дополнительная информация: Qian Song et al, Электрическое переключение магнита p-волны, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09034-7
Информация журнала: Природа
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом