Спин-долинные полуметаллы - новый тип материалов, предсказанный физиками, может найти применение во вживляемой электронике. Правда, пока только в теории.

На смену привычной полупроводниковой электронике, использующей только заряд электрона, скоро должны прийти более совершенные устройства, работа которых опирается на использование также его спина. Соответственно, это направление электроники получило название спинтроника.

Спин – собственный момент импульса электрона может быть направлен вверх или вниз. Его величина соответственно  ½ (половина постоянной Планка).

Большой интерес для нее представляют так называемые полуметаллы – проводники, в которых в отличие от металлов ток создается только электронами с заданным направлением спина, например, со спином вверх.

Для противоположного направления спина эти материалы представляют собой диэлектрики или полупроводники. Благодаря этому электрический ток через полуметалл автоматически переносит спин, то есть является спиновым током, что и позволяет использовать полуметаллы в спинтронике.

Существование таких материалов физики недавно обосновали при помощи компьютерного моделирования, а потом обнаружили экспериментально. Все известные в настоящее время полуметаллы содержат в кристаллической решетке атомы переходных металлов вроде никеля, марганца или лантана.

Исследователи из МФТИ и ИТПЭ РАН вместе с коллегой из Японии теоретически обосновали возможность существования нового класса материалов, которые они предложили назвать спин-долинными полуметаллами. Это очень перспективный материал для спинтроники. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы исследования предложили новую микроскопическую модель возникновения полуметалличности, не требующую наличия атомов переходных металлов. Это позволит в будущем получить «неметаллические» полуметаллы, которые также можно будет использовать в системах на основе углеродных (графена, нанотрубок) и других перспективных материалов. Такие материалы найдут применение, например, во вживляемых устройствах, где желательно использовать неметаллические материалы.

Более точно, данное исследование относится к спин-долинной электронике, волитронике, где предполагается использовать не только переносимый током спин, но и так называемый долинный индекс. Термин «долина» взят из физики полупроводников. У некоторых из них есть несколько минимумов разрешенной энергии электронов проводимости (на языке зонной теории - минимумов зоны проводимости), которые физики называют долинами.

Приближённо можно считать, что электроны, состояние которых соответствует одной из долин, не взаимодействуют с электронами, которые находятся в другой долине. Такие электроны могут переносить не только спин и заряд, но и новую величину — долинный индекс (по сути, номер долины), который может быть использован для передачи информации.

Веществ, которые хорошо описываются рассмотренной моделью, известно достаточно много. Поэтому авторы работы убеждены, что предсказанное полуметаллическое состояние будет, в конце концов, обнаружено, либо в уже существующих соединениях, либо в материалах, которые будут синтезированы в будущем.

Получать «неметаллические полуметаллы» физики предлагают из так называемых диэлектриков с волной зарядовой или спиновой плотности. Такой волной называют периодически расположенные в материале микроскопические участки с ненулевым средним зарядом или спином. Существенную роль здесь играют электрон-дырочные пары. Для их получения нужны две долины, одна даст электроны, другая — дырки. Именно наличие двух долин в исходной системе и даст возможность создать спин-долинный полуметалл.

Для этого диэлектрики необходимо специально обработать – легировать, или по другому – допировать. Легирующие атомы— азот, фосфор или другие замещают исходные атомы, отдавая или принимая электроны проводимости, меняя свойства исходного материала.

В основе допирования может лежать как воздействие на систему внешним электрическим полем, так и химические реакции на поверхности или в объёме. Легирование известно давно, но возможность формирования при этом фаз обычного и спин-долинного полуметалла – новый и неожиданный результат.

По материалам пресс-службы МФТИ