Французский физик Луи Неель, получивший Нобелевскую премию за работы по антиферромагнетикам, был уверен, что эти материалы не найдут практического применения. Неужели возможно как-то управлять общей намагниченностью материала, состоящего из множества мелких областей, магнитные моменты в которых направлены антипараллельно друг другу? Тем не менее ученые из МФТИ совместно с коллегами из Норвегии и Испании нашли способ применить антиферромагнитные изоляторы для создания спинового вентиля — элемента, применяемого в микроэлектронике и спинтронике. Работа опубликована в журнале Physical Review B.
Спиновые вентили — это устройства, которые используются в том числе в элементах памяти наших компьютеров. В классическом варианте они представляют собой два слоя ферромагнетика, разделенных немагнитным металлом. В такой конструкции будет наблюдаться эффект гигантского магнетосопротивления: то есть ее сопротивление будет сильно зависеть от того, как ориентированы векторы намагниченности ферромагнетных слоев: параллельно или антипараллельно. На ориентацию можно влиять, прикладывая внешнее магнитное поле. Этот эффект используется в жестких дисках: спиновый вентиль присутствует в составе чувствительной считывающей головки. По изменению сопротивления, которое зависит от того, совпадают ли направления магнитных полей головки и проезжающего под ней участка диска, можно узнать, записана там единица или ноль.
Следующим этапом усовершенствования конструкции стала замена металла или изолятора между слоями ферромагнетика на сверхпроводник. Изменяя взаимную ориентацию ферромагнитных слоев, можно переводить сверхпроводник из сверхпроводящего состояния в обычное и обратно, при этом сопротивление меняется очень сильно, от ненулевого состояния до нуля.
«Далее возникло такое направление, как антиферромагнитная спинтроника, — рассказывает Ирина Бобкова, заведующая лабораторией спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ. — Идея заменить все ферромагнетики на антиферромагнетики хороша как минимум по двум причинам. Во-первых, у антиферромагнетиков нет собственных магнитных полей, которые могли бы влиять на соседние элементы и создавать помехи, так как магнитные моменты атомов в этих материалах компенсируют друг друга. Во-вторых, у антиферромагнетиков гораздо более высокие собственные частоты, и поэтому можно уменьшить время отклика устройств на их основе на несколько порядков».
В своей нобелевской речи Луи Неель назвал открытые им антиферромагнетики интересными, но бесполезными. Как ему казалась, нулевую полную намагниченность этих материалов невозможно контролировать. Но в процессе развития антиферромагнитной спинтроники ученые стали предлагать новые методы.
«Как мы знаем, суммарная намагниченность антиферромагнетика равна нулю, так как магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны, — поясняет Ирина Бобкова. — А разность намагниченностей двух соседних атомов будет отлична от нуля, и вот эта разница называется неелевским вектором. Это основная величина, которой ученые оперируют в антиферромагнетиках, ее контроль — очень важная задача. В нашей работе мы предложили способ считывать взаимную ориентацию этих векторов. Основная идея — если неелевские векторы двух антиферромагнетиков в структуре “антиферромагнетик — сверхпроводник — антиферромагнетик” антипараллельны, то критическая температура, при которой сверхпроводник переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное, будет выше, чем если они параллельны. Таким образом мы можем определить взаимную ориентацию векторов точно так же, как в обычных спиновых вентилях можно определять взаимную ориентацию намагниченности, поэтому этот эффект очень важен для антиферромагнитной спинтроники».
В работе принимали участие физики из Норвежского университета науки и технологий, Автономного университета Мадрида, Московского физико-технического института и Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».
1
