У трехслойного ферромагнетика нашли переходное состояние магнитосопротивления

Австралийские ученые обнаружили редкое явление антисимметричного магнитосопротивления в трехслойном ван-дер-ваальсовом ферромагнетике. В отличие от известного гигантского магнитосопротивления, которое характеризуется двумя положениями сопротивления, структура из двух слоев Fe₃GeTe₂, разделенных графитом, проявила высокое, среднее и низкое магнитосопротивление. Исследователи объяснили такое поведение материала возникновением спин-поляризованного тока в пространстве между слоями. Работа опубликована в Science Advances.

Микроэлектронные устройства (например, диоды и транзисторы) — основа современных компьютеров. Несмотря на широкий спектр возможных способов их создания и применения, фундаментальный принцип основывается на манипуляциях с зарядом. Спинтроника добавляет к заряду микроэлектронных устройств еще и операции над спином. Чтобы управлять спином электрона в традиционной спинтронике используют трехмерные материалы. Если понизить размерность устройства до 2D, уменьшатся и размеры самого устройства. С открытием магнетизма в монослоях ван-дер-ваальсовых кристаллов на основе хрома и соединений железа, германия и теллура это стало возможным и на практике.

Типичное устройство, способное изменять электрическое сопротивление при изменении векторов намагниченности слоев, то есть проявлять гигантское магнитосопротивление (GMR), состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных немагнитным металлом. До сих пор в качестве такого металла выступали хром, медь или палладий, но особый интерес представляет возможность замены металла на проводящий слой с нужными свойствами, например, легкий многослойный графен.

Султан Альбаракати (Sultan Albarakati) с коллегами из Мельбурнского технологического университета создал трехслойный материал из слоев ферромагнитного соединения железа, германия и теллура (Fe₃GeTe₂), разделенных слоем графита от трех до 11 нанометров, и изучили его магнитные свойства.

В стандартных экспериментах, где возникает гигантское магнитосопротивление, трехслойные структуры проявляют либо очень высокое сопротивление (когда магнитные моменты слоев ферромагнетиков направлены в противоположные стороны), либо низкое (когда магнитные моменты направлены в одну сторону). В исследуемом материале ученые обнаружили еще и промежуточное состояние, когда магнитные моменты параллельны. Авторы работы предполагают, что такое поведение объясняется сильным спин-орбитальным взаимодействием в ферромагнетике, а также эффектами на поверхностях между слоями. 

В основном ток движется в графитовом слое и по поверхности между слоями, а также на ближних к графиту поверхностях ферромагнетиков. Поэтому спиновые моменты в пространстве между слоями противоположно направлены. В случае, когда магнитные моменты обоих металлических слоев были направлены в одну сторону, ученые наблюдали переходное состояние магнитосопротивления. Когда они были направлены в противоположные стороны — то сопротивление максимально или минимально. 

Значения магнитосопротивления при 50 кельвинах не зависели от толщины слоя графита, а амплитуда уменьшалась с увеличением температуры и полностью исчезала при температурах больше 140 кельвин.

Обнаруженные и изученные исследователями эффекты могут стать отправной точкой для создания новых устройств. Больше о спинтронике и ее будущем можно прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества».

Алина Кротова