Гематит способен поддерживать чистые спиновые токи без электрического заряда.
Американские ученые обнаружили, что гематит обладает редкой и новой формой магнетизма, которая, как сообщается, открывает путь для спинтронных технологий, способных трансформировать обработку и хранение данных.
Это открытие, сделанное исследователями из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), предоставило одно из самых убедительных экспериментальных доказательств существования альтермагнетизма — недавно выявленной третьей формы магнетизма, впервые предложенной в 2022 году.
Гематит, распространенный оксид железа, более известный как ржавчина, является одним из самых распространенных минералов на Земле. Он стабилен при температуре выше 1200 градусов по Фаренгейту, что делает его отличным материалом для спинтроники, работающей при комнатной температуре и не требующей интенсивного охлаждения.
«Гематит широко распространен, химически стабилен и нетоксичен», — сказал Циян Сунь, доктор философии, руководитель проекта и научный сотрудник Ок-Радиолинейный исследовательский центр в Орегоне. «Подтвердив его альтермагнитную природу, мы открываем новую платформу для инженеров, позволяющую проектировать высокоскоростную, маломощную квантовую электронику с использованием недорогих и широко доступных материалов».
Внутри квантового состояния гематита
Альтермагнетики, в отличие от обычных и антиферромагнетиков, являются магнитными материалами, в которых спины электронов выровнены в противоположных направлениях. Это позволяет протекать чистым спиновым токам без электрического заряда, что делает их идеальными для спинтронных приложений.
Между тем, спинтроника, или магнитоэлектроника, — это технология, которая использует спин электронов, а не их заряд, для обработки и хранения данных, что может позволить создавать устройства, работающие быстрее и потребляющие гораздо меньше энергии, чем современная электроника.
Однако поиск практичных и подходящих материалов для применения в спинтронике до сих пор остается огромной проблемой. Теперь, чтобы проверить свойства гематита, исследователи обратились к источнику нейтронного рассеяния (SNS), одному из самых передовых в мире центров нейтронных исследований.
На месте исследователи использовали метод неупругого рассеяния нейтронов, который определяется как явление, при котором нейтроны теряют или приобретают энергию, передавая её для образования образца. Таким образом, учёные исследовали внутреннюю магнитную динамику материала на атомном уровне.
Хотя нейтроны не несут электрического заряда, они обладают магнитным моментом и идеально подходят для изучения магнетизма. Именно так исследователи проанализировали спиновые волны (коллективные возбуждения, распространяющиеся по магнитной структуре материала).
Развитие технологий будущего
Результаты показали отчетливое расщепление энергии этих спиновых волн — тонкий, но определенный признак альтермагнетизма. Это явление, называемое расщеплением магнонов, невозможно зафиксировать с помощью других экспериментальных методов.
«Неупругое рассеяние нейтронов — единственный метод, способный разрешить эти тонкие спектральные особенности, — сказал Сунь. — Он обеспечивает одновременное разрешение по импульсу и энергии, что позволило нам обнаружить тонкое расщепление магнонов, определяющее альтермагнетизм».
В исследовании сочетались эксперименты и моделирование с использованием программного обеспечения Sunny от ORNL, а также высокопроизводительные вычисления. Программное обеспечение было разработано для изучения квантового магнетизма.
«Подтверждение наличия альтермагнетизма в гематите — материале, столь же распространенном, как ржавчина, — демонстрирует, что потенциальный компонент для следующей революции в высокоскоростной и энергоэффективной квантовой электронике, возможно, уже находится вокруг нас», — заключил Сунь в пресс-релизе.
По словам исследователей, полученные результаты могут изменить конструкцию электронных устройств. Они считают, что спиновые токи без заряда могут уменьшить потери энергии и тепловыделение, а также повысить эффективность. В будущих исследованиях будет изучено, как щели спиновых волн влияют на теплоперенос в гематите.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
