Исследователям Университета Майнца впервые удалось непосредственно наблюдать 100% спиновую поляризацию соединения Гейслера.

Авторы назвали свою работу прорывом, который физики и химики во всем мире уже давно ожидали, и предсказали, что она будет играть ключевую роль в области информационных технологий в ближайшие годы. У такого утверждения есть основания, поскольку результаты эксперимента обеспечивают фундамент для будущего развития высокопроизводительных устройств спинтроники с использованием материалов Гейслера. Эти материалы могут найти применение, например, в читающих головках жестких дисков и энергонезависимых элементах хранения информации сверхмалых размеров, обеспечивающих очень высокую плотность записи.

Схема измерения спиновой поляризации фотоэлектронной спектроскопией тонких пленок из сплава Гейслера (Рис. Мартин Джордан, JGU).

Структура с ТМС. Красным цветом показан слой диэлектрика. Зеленые стрелки показывают направление спиновой поляризации электронов в ферромагнетиках. При антипараллельном направлении спинов (внизу) через диэлектрик туннелирует значительно меньше электронов.

Структура сплава Гейслера с формулой X2YZ , например, Co2MnSi. (Рис. http://en.wikipedia.org/wiki/Heusler_alloy).

Традиционная электроника основана на переносе электронами заряда. Но эти элементарные частицы обладают еще одним интересным свойством – спином. Спин представляет собой собственный момент импульса частицы. Хотя при объяснении сущности спина часто говорят о нем как о результате вращения частицы, объяснить его на основе механики невозможно. Это чисто квантовое явление. Для нас сейчас важно знать, что спин электрона имеет направление – спиновую поляризацию и порождает спиновый магнитный момент – собственное магнитное поле частицы. Последнее позволяет управлять направлением спина с помощью магнитного поля.  

Возможностью использования явлений, связанных со спином электронов, с 1980-х годов занимается спинтроника (спиновая электроника). В ее основе лежит открытое в 1988 году явление гигантского магнитосопротивления (ГМС), за которое в 2007 году была вручена Нобелевская премия. ГМС заключается в том, что сопротивление трехслойного металлического «сэндвича» из двух ферромагнетиков, между которыми расположен нанослой немагнитного металла (например, железо-хром-железо), сильно зависит от ориентации спинов электронов в ферромагнитных слоях. Если спины параллельны, то немагнитный материал (хром) хорошо пропускает ток, если антипараллельны, то его сопротивление резко возрастает. Аналогичная ситуация возникает, если вместо проводника средний слой изготовить из диэлектрика. Там зависящий от спина ток будет связан с туннельным эффектом, а соответствующее увеличение сопротивления получило название туннельное магнитное сопротивление (ТМС).

Таким образом, структуры с ГМС служат вентилями, которые легко управляются магнитным полем, и могут быть использованы в создании различных цифровых устройств. Эта технология сулит много преимуществ: миниатюризацию, увеличение быстродействия и экономичности устройств, в которых к тому же почти не выделяется тепло. Однако для ее воплощения необходимо иметь подходящие ферромагнитные материалы, работающие при комнатной температуре. Главное требование к ним – как можно большая поляризация электронов, то есть чтобы как можно больше электронов имело спин, ориентированный в заданном направлении. Именно поиском нужных материалов заняты физики и химики в последние два десятилетия.    

Среди основных кандидатов на эту роль – так называемые сплавы Гейслера (их называют еще компаундами Гейслера, от англ. compound – соединение). Сплав Гейслера – это соединение трех металлов с химической формулой X₂YZ, например, Co₂MnSi. Интересно, что подобное вещество может обладать свойствами, отличающимися от свойств, составляющих его элементов. Так, соединение трех немагнитных материалов может быть ферромагнетиком. Материалы Гейслера активно изучаются во всем мире, особенно в Японии, Германии и США. В немецком университете имени Иоганна Гутенберга (JGU) из города Майнц они являются основным предметом исследований.  

Физики из JGU доказали, что сплав Гейслера Co₂MnSi имеет необходимые электронные свойства, и смогли впервые осуществить экспериментальное доказательство его почти полной спиновой поляризации при комнатной температуре. «Этот класс материалов уже давно исследуется, и есть существенные теоретические разработки для необходимых электронных свойств соединений Гейслера, но ни один эксперимент ранее не смог подтвердить 100 процентную спиновую поляризацию при комнатной температуре», – пояснил основной автор исследования Мартин Джордан из JGU. Обнадеживающие результаты ранее были получены при очень низких температурах (-269 градусов Цельсия).    

Этот проект осуществлялся в сотрудничестве с теоретиками из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института Макса Планка химической физики твердого тела (MPI-CPfS) в Дрездене. Результаты были недавно опубликованы в научном онлайн-журнале Nature Communications (M. Jourdan et al. Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co₂MnSi. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4974.)

«Это не просто прорыв в поиске новых материалов спинтроники, но и во взаимодействии между теорией и экспериментом», – отметил Джордан. «Мы смогли показать, что прекрасно подготовленные материалы на самом деле имеют свойства, которые были теоретически предсказаны» .

Успешные эксперименты были основаны на подготовке образцов с максимальной точностью, обеспечивающей отсутствие повреждений в кристаллической структуре соединения Гейслера. Исследуемый образец представлял собой тонкую пленку, созданную в сверхвысоком вакууме по специально разработанной в JGU технологии. Спиновую поляризацию измеряли с помощью фотоэлектронной спектроскопии, результаты которой были объяснены в сотрудничестве с теоретиками LMU и MPI- CPfS как результат специальной комбинации объемных и поверхностных свойств соединения.

По материалам Университета Майнца