Ученые из недавно созданной лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники в конце августа отправятся в ЦЕРН для участия в экспериментах на установке ISOLDE. Сотрудники лаборатории ранее синтезировали и теперь планируют исследовать тонкие пленки силицида марганца MnSix. Это вещество, если точно подобрать его состав (величину x), проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре — и в будущем может использоваться в спинтронике.
Спинтроника — это управление током спин-поляризованных электронов (по аналогии с электроникой, где управляют неполяризованным током). Устройства, использующие принципы спинтроники уже существуют: это, например, считывающие головки жестких дисков, в которых сопротивление материала резко меняется в зависимости от магнитного поля.
В будущем широкое применение спин-поляризованных токов в логических схемах позволит создавать более быстрые, компактные процессоры с низким энергопотреблением, а также быструю, надежную и энергонезависимую память. Для того чтобы это случилось, необходимо интегрировать спинтронные элементы в традиционные кремниевые интегральные микросхемы. Именно для таких гибридных устройств необходимы ферромагнитные материалы на основе кремния — такие как MnSix.
Этот материал представляет интерес не только с практической, но и с фундаментальной точки зрения: ни кремний, ни марганец в чистом виде не являются ферромагнетиками, однако сплав является ферромагнетиком уже при комнатной температуре. Механизм ферромагнетизма в магнитных полупроводниках, к которым относится и MnSix, до сих пор до конца не выяснен.
На установке ISOLDE ученые МФТИ собираются исследовать свойства пленок MnSix методом эмиссионной мёссбауэровсокой спектроскопии. Мёссбауэровская спектроскопия основана на том, что в некоторых случаях радиоактивные ядра в кристаллической решетке излучают и поглощают гамма-кванты, не испытывая при этом отдачи (точнее, отдачу испытывает вся решетка целиком, но ее масса огромна).
Таким образом, если в радиоактивном источнике происходит распад некоторого возбужденного состояния ядра (чаще всего изотопа 57Fe), а исследуемый образец содержит ядра того же изотопа, то часть гамма-квантов и излучается, и поглощается без отдачи. Таким образом, можно изучить очень тонкие сдвиги в ядерных уровнях, которые дадут информацию об изменении кристаллической структуры, электронной конфигурации или локальной намагниченности в окрестности атомов 57Fe в образце. В классической мёссбауэровской спектроскопии исследуемый образец уже должен содержать изотоп железа 57Fe, но синтезировать такие образцы может быть непросто. Установка ISOLDE дает уникальную возможность исследовать образцы, не содержащие изначально атомов 57Fe.
В ISOLDE высокоэнергетичные протоны, полученные на ускорителе PSB (входящем в каскад ускорителей LHC, Большого адронного коллайдера), врезаются в стационарную мишень. При этом образуются осколки, содержащие широкий спектр различных изотопов — их тщательно разделяют по массе и ускоряют, так что на образец направляется интенсивный пучок ионов необходимого изотопа.
Для данного исследования будут использоваться ионы 57Mn. Этот изотоп радиоактивен (период полураспада 85 cекунд) и при распаде превращается как раз в возбужденное состояние изотопа 57Fe, которое в свою очередь, излучает гамма-квант при переходе в основное состояние. Ионы 57Mn импланируются в образец, встраиваются в кристаллическую решетку, а затем распадаются, давая гамма-излучение.
Зарегистрированные детекторами гамма-кванты позволяют установить связь между кристаллической структурой и структурой намагниченности в образце. Ранее этот метод уже использовался командой европейских ученых на ISOLDE для исследования новых магнитных материалов. Можно надеяться, что новые эксперименты не только прольют свет на природу ферромагнетизма в нестехиометрическом силициде марганца, но и помогут в создании других перспективных материалов для спинтроники.
Поездка ученых организована в рамках программы «5топ100», которая предусматривает выведение МФТИ в число сотни ведущих университетов мира.
Текст предоставлен Андреем Зенкевичем, руководителем лаборатории и публикуется с минимальными изменениями. Если вы хотите опубликовать у нас информацию о работе вашей лаборатории или исследовательской группе, пишите на press@mipt.ru.
