Электрическое поле и ионная жидкость сделали платину ферромагнитной
L. Liang et al./ Science Advances, 2018
Нидерландские физики разработали способ получения в платине двумерных ферромагнитных слоев с помощью внешнего электрического поля. В основе предложенного метода лежит использование парамагнитной ионной жидкости в качестве среды, преобразующей изменения электрического поля в возбуждение ферромагнитного порядка в платине, пишут ученые в Science Advances.
Создание методов управления магнитными свойствами материалов с помощью электрического поля — важный шаг при разработке спинтронных устройств, в которых хранение и передача информации осуществляется, в частности, с помощью спиновых токов (подробнее о спинтронике и ее ближайших перспективах вы можете прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества»). В некоторых полупроводниковых магнитных материалах или мультиферроиках, в которых ферромагнетизм сочетается с сегнетоэлектрическими свойствами, с помощью внешнего электрического поля удавалось менять намагниченность материалов, однако все существующие на данный момент методы требуют очень больших электрических полей и жестко привязаны к начальным ферромагнитным свойствам материалов, которые обычно появляются только при достаточно низких температурах.
Нидерландские физики из Гронингенского университета под руководством Цзяньтина Е (Jianting Ye) предложили способ управления с помощью электрического поля намагниченностью изначально немагнитного материала — платины. Оказалось, что при помещении платины в парамагнитную ионную жидкость в ее поверхностном слое с помощью изменения электрического поля можно включать и выключать ферромагнитные свойства. В своей работе ученые помещали платиновую пленку толщиной в несколько нанометров в специально синтезированную ионную жидкость, состоящую из органических катионов и парамагнитных анионов FeCl4-. Эта ионная жидкость обладает низкой температурой плавления (около −70 градусов Цельсия) и даже при комнатной температуре проявляет парамагнитные свойства, реагируя на внешнее магнитное поле.
Схема устройства, в котором с помощью внешнего электрического поля в платине создается двумерный ферромагнитный слой
L. Liang et al./ Science Advances, 2018
Химическая структура катиона и аниона парамагнитной ионной жидкости
L. Liang et al./ Science Advances, 2018
В этой системе при приложении электрического поля парамагнитные ионы жидкости перемещаются к поверхности платины, взаимодействие с которой приводит к образованию в наружном атомном слое платины ферромагнитной фазы с согласованной ориентацией спинов. Вывод о возникновении магнитного упорядочения в слое платины ученые сделали, наблюдая в платине аномальный эффект Холла — возникновение поперечного электрического поля в проводнике при протекании тока за счет внутренней намагниченности, даже без внешнего магнитного поля.
Оказалось, что холловская проводимость такой системы в зависимости от внешнего поля проявляла выраженный магнитный гистерезис с достаточно большими намагниченностью насыщения и коэрцитивной силой (порядка десятых долей теслы). Обе этих величины при этом растут при увеличении электрического напряжения, необходимого для возбуждения ферромагнетизма.
Зависимость холловского сопротивления от внешнего магнитного поля для платиновых наночастиц с включенными (красные символы) и выключенными (голубые символы) ферромагнитными свойствами
L. Liang et al./ Science Advances, 2018
Интересной особенностью полученных двумерных ферромагнитных слоев платины стало сочетание магнитных свойств с эффектом Кондо — увеличением электрического сопротивления платины при понижении температуры вблизи абсолютного нуля вследствие как раз наличия поверхностного магнитного слоя и влияния спинов на электроны проводимости.
Ученые отмечают, что предложенная ими методика должна быть дополнительно проверена, в частности, с помощью циклических тестов, однако уже сейчас можно утверждать, что парамагнитную ионную жидкость можно использовать как универсальный инструмент для управления ферромагнитными свойствами изначально немагнитных материалов. Использоваться такой подход может в спинтронике для одновременного управления зарядовыми и спиновыми степенями свободы электронов.
Возможность возникновения в магнитных веществах аномального эффекта Холла часто используется для анализа или возбуждения необычных электронных свойств различных материалов. Например, недавно ученые обнаружили аномальный эффект Холла в другом материале — сплаве железа и олова, атомы которого располагаются по узлам треугольно-гексагональной решетки кагоме и в электронной структуре которого из-за внутреннего магнитного поля между двумя дираковскими конусами появляется запрещенная зона. А объединение в слоистые структуры топологического изолятора с аномальным эффектом Холла и сверхпроводящего ниобия помогло физикам впервые обнаружить состояния, которые ведут себя как майорановские частицы.
Александр Дубов
