Спинтроника, технология использующая спин электрона вместо его заряда для обработки и хранения информации, обещает создание более быстрых и энергоэффективных компьютеров и устройств памяти. Однако ее широкому распространению мешает фундаментальная проблема: большинство спинтронных систем для управления спином требуют внешних магнитных полей. Эти поля создают нежелательные помехи, что критически усложняет интеграцию компонентов в сверхкомпактные устройства и ограничивает миниатюризацию.
Исследователи из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) совместно с коллегами предложили решение этой проблемы. В статье, опубликованной в журнале Materials Horizons, они продемонстрировали принципиально новый метод управления спиновыми токами исключительно с помощью электрического поля, полностью исключив необходимость в магнитных полях. Ключом к успеху стало использование особого класса материалов – альтермагнитных бислоев.
Альтермагнетизм представляет собой уникальную магнитную фазу, отличающуюся от традиционного ферромагнетизма и антиферромагнетизма. В альтермагнетиках спины электронов направлены противоположно, что компенсирует суммарный магнитный момент и устраняет макроскопическую намагниченность. При этом их электронная структура обладает уникальными свойствами, позволяющими генерировать не коллинеарные спиновые токи и тонко настраивать электронное поведение, что делает их идеальными кандидатами для спинтроники.
В ходе исследования ученые работали с бислоем сульфида хрома (CrS) – двумя ультратонкими слоями этого альтермагнитного материала. Они обнаружили, что электроны в такой структуре естественным образом разделяются на слои с противоположным направлением спина. Этот эффект получил название «спиновая блокировка по слоям» (layer-spin locking). В отличие от обычных материалов, где для создания спин-поляризованного тока нужно внешнее магнитное поле, здесь каждый слой уже несет ток с определенной, противоположной другому слою, спиновой поляризацией.
Суть открытия заключается в механизме управления этим состоянием. Приложение простого электрического поля перпендикулярно слоям избирательно изменяет энергетические уровни электронов в одном из слоев относительно другого. Это приводит к тому, что ток в одном из слоев начинает доминировать, создавая сильный, управляемый спин-поляризованный ток на выходе из бислоя. Экспериментально удалось добиться полного переключения знака спиновой поляризации тока, достигающей 87%, причем все операции проводились при комнатной температуре.
Доктор Жуй Пэн (Dr. Rui Peng) из SUTD, ведущий автор исследования, подчеркивает: «Наш подход позволяет управлять спином исключительно электрическим полем, устраняя необходимость в громоздких магнитных полях и открывая путь к разработке сверхкомпактных и энергоэффективных спинтронных устройств».
Руководитель исследовательской группы, доцент Йи Син Анг (Assistant Professor Yee Sin Ang) из SUTD, для наглядности использует аналогию: «Представьте две конвейерные ленты, несущие электроны с противоположными спинами. Наш бислой CrS работает именно так. Прикладывая напряжение, мы как бы 'переключаем' систему, заставляя одну ленту доминировать над другой, что приводит к изменению общего спина на выходе». Он добавляет, что конечная цель – создание практичных, технологичных спинтронных устройств, превосходящих кремниевую электронику, и данное исследование закладывает основу для этого.
Это открытие имеет значительные перспективы для вычислительной техники нового поколения, систем хранения данных и квантовых технологий. Оно стимулирует поиск новых материалов и разработку архитектур устройств на основе альтермагнетиков. Следующими шагами станут экспериментальное подтверждение результатов на прототипах реальных устройств и их интеграция в электронные схемы для демонстрации коммерческой применимости.
Исследование проводилось под руководством Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) в сотрудничестве с Гонконгским университетом науки и технологий, Пекинским технологическим институтом, Чжэцзянским университетом и Агентством по науке, технологиям и исследованиям Сингапура (ASTAR). Развитие полностью электрической спинтроники может сыграть ключевую роль в гонке за создание сверхбыстрых и энергоэффективных вычислительных систем будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) совместно с коллегами предложили решение этой проблемы. В статье, опубликованной в журнале Materials Horizons, они продемонстрировали принципиально новый метод управления спиновыми токами исключительно с помощью электрического поля, полностью исключив необходимость в магнитных полях. Ключом к успеху стало использование особого класса материалов – альтермагнитных бислоев.
Альтермагнетизм представляет собой уникальную магнитную фазу, отличающуюся от традиционного ферромагнетизма и антиферромагнетизма. В альтермагнетиках спины электронов направлены противоположно, что компенсирует суммарный магнитный момент и устраняет макроскопическую намагниченность. При этом их электронная структура обладает уникальными свойствами, позволяющими генерировать не коллинеарные спиновые токи и тонко настраивать электронное поведение, что делает их идеальными кандидатами для спинтроники.
В ходе исследования ученые работали с бислоем сульфида хрома (CrS) – двумя ультратонкими слоями этого альтермагнитного материала. Они обнаружили, что электроны в такой структуре естественным образом разделяются на слои с противоположным направлением спина. Этот эффект получил название «спиновая блокировка по слоям» (layer-spin locking). В отличие от обычных материалов, где для создания спин-поляризованного тока нужно внешнее магнитное поле, здесь каждый слой уже несет ток с определенной, противоположной другому слою, спиновой поляризацией.
Суть открытия заключается в механизме управления этим состоянием. Приложение простого электрического поля перпендикулярно слоям избирательно изменяет энергетические уровни электронов в одном из слоев относительно другого. Это приводит к тому, что ток в одном из слоев начинает доминировать, создавая сильный, управляемый спин-поляризованный ток на выходе из бислоя. Экспериментально удалось добиться полного переключения знака спиновой поляризации тока, достигающей 87%, причем все операции проводились при комнатной температуре.
Доктор Жуй Пэн (Dr. Rui Peng) из SUTD, ведущий автор исследования, подчеркивает: «Наш подход позволяет управлять спином исключительно электрическим полем, устраняя необходимость в громоздких магнитных полях и открывая путь к разработке сверхкомпактных и энергоэффективных спинтронных устройств».
Руководитель исследовательской группы, доцент Йи Син Анг (Assistant Professor Yee Sin Ang) из SUTD, для наглядности использует аналогию: «Представьте две конвейерные ленты, несущие электроны с противоположными спинами. Наш бислой CrS работает именно так. Прикладывая напряжение, мы как бы 'переключаем' систему, заставляя одну ленту доминировать над другой, что приводит к изменению общего спина на выходе». Он добавляет, что конечная цель – создание практичных, технологичных спинтронных устройств, превосходящих кремниевую электронику, и данное исследование закладывает основу для этого.
Это открытие имеет значительные перспективы для вычислительной техники нового поколения, систем хранения данных и квантовых технологий. Оно стимулирует поиск новых материалов и разработку архитектур устройств на основе альтермагнетиков. Следующими шагами станут экспериментальное подтверждение результатов на прототипах реальных устройств и их интеграция в электронные схемы для демонстрации коммерческой применимости.
Исследование проводилось под руководством Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) в сотрудничестве с Гонконгским университетом науки и технологий, Пекинским технологическим институтом, Чжэцзянским университетом и Агентством по науке, технологиям и исследованиям Сингапура (ASTAR). Развитие полностью электрической спинтроники может сыграть ключевую роль в гонке за создание сверхбыстрых и энергоэффективных вычислительных систем будущего.
