Ученые из Института теоретической физики (ИТФ) имени Л.Д. Ландау выяснили, при каких условиях наночастицы, сделанных из «почти ферромагнетиков», можно использовать в спинтронных устройствах – электронных устройствах нового типа, в которых протекание электрического тока сопровождается изменением магнитного состояния системы и наоборот. О своих результатах физики доложили на «Зимней школе по локализации, взаимодействиям и сверхпроводимости», проходившей в ИТФ.
В своей работе физики теоретически исследовали свойства наночастиц, сделанных из «почти ферромагнитных металлов». Ферромагнетики – это вещества, которые проявляют магнитные свойства в отсутствие внешнего магнитного поля. К ним относится, например, железо. «Почти ферромагнетики» по свойствам чуть-чуть «не дотягивают» до ферромагнетиков, то есть не показывают намагниченность без внешнего магнитного поля. Их типичные представители – палладий и платина. В 2000 году было теоретически предсказано, что, если рассматривать не крупный фрагмент такого находящегося «на грани» превращения в ферромагнетик вещества, а сделанную из него наночастицу, окажется, что при низких температурах она начнет вести себя как ферромагнетики. Этот эффект был назван мезоскопической стонеровской неустойчивостью и, несмотря на то, что сегодня он хорошо описан теоретически, пронаблюдать его на практике пока не удалось.
Если наночастицу из «почти ферромагнетика» поместить между двумя большими кусками металла (ученые говорят металлическими «резервуарами») и приложить разность потенциалов, то электроны из одного резервуара начинают «перепрыгивать» на наночастицу, а с нее на другой резервуар. Это происходит, даже если энергия электронов меньше, чем требуется для «прыжка»: ее недостаточно, чтобы преодолеть энергетический барьер между резервуаром и наночастицей. Такие «незаконные» с точки зрения «классической» физики переходы называют подбарьерным туннелированием, и этот эффект подчиняется квантовым законам.
Система из двух резервуаров и наночастицы между ними называется одноэлектронным транзистором. Одноэлектронный транзистор с наночастицей, проявляющей ферромагнитные свойства, активно изучается физиками, так как подобная система позволяет менять параметры сразу двумя способами. Варьируя протекающий электрический ток, можно управлять магнитным состоянием, а меняя магнитное состояние наночастицы, например, используя магнитное поле, – управлять током. «Одно из практических приложений таких систем – устройства магнитной памяти (MRAM – magnetic random-access memory). Их преимущество – меньшие потери, связанные с ненужным нагреванием в электрических контурах», – объясняет Бурмистров. Кроме того, подобные спинтроновые системы, позволяют хранить записанные данные, в том числе и оперативные, без внешнего питания.
Бурмистров с коллегами изучили, как в таких системах туннелирование в резервуар влияет на магнитные свойства наночастиц из «почти ферромагнетиков». Теоретические расчеты ученых показывают, что, если туннелирование электронов между резервуаром и наночастицей происходит активно, магнитные свойства наночастицы разрушаются. «Интересно, что величина туннельного кондактанса (так называют величину, которая характеризует, насколько хорошо электроны могут туннелировать), при которой магнитное поведение наночастицы исчезает, оказывается существенно меньше, чем можно было бы ожидать. Этот результат показывает, что использование наночастиц из «почти ферромагнитных металлов» в спинтронных устройствах возможно только в ситуации, когда туннелирование слабое», – говорит Бурмистров.
Но главное значение новой работы – теоретическое. «Наши результаты позволяют лучше понять физические условия, при которых будет возможно экспериментально пронаблюдать явление мезоскопической стонеровской неустойчивости», – добавляет Бурмистров.
«Зимняя школа по локализации, взаимодействиям и сверхпроводимости» проходит в ИТФ имени Л.Д. Ландау с 18 по 21 декабря при поддержке гранта Российского Научного Фонда.
Договориться об интервью с учеными, комментариях и запросить дополнительную информацию можно по адресу: press@itp.ac.ru