Динамика спина оказалась связана с толщиной материала

Valentina Bisogni et al. / Nature Materials, 2021

Американские физики впервые исследовали спиновую динамику в мезоскопических пленках. Они выяснили, что изменение толщины материала позволяет контролировать динамику спина. Это открытие может привести к созданию более компактных и энергоэффективных электронных устройств. Статья опубликована в журнале Nature Materials.

Спрос на компактные, но при этом мощные вычислительные устройства постоянно увеличивается. Поэтому появляются новые отрасли наноэлектроники, призванные разрабатывать более эффективные технологии. Одна из этих отраслей — магноника. В магнонных устройствах перенос информации происходит не с помощью электрических зарядов, а с помощью спиновых волн.

Спином называют собственный момент импульса электрона и других частиц. Спин задает направление частицы, можно сказать, определяет ее ось вращения. Это квантовая характеристика, принимающая дискретные значения. Ориентация спина меняется при воздействии внешнего магнитного поля, и его проекции на разные оси также принимают строго определенные значения. Это и позволяет использовать спин для реализации логических операций: можно присвоить этим значениям определения «0» и «1».

Спин распространяется в материале, как и заряд. Разница между ними в том, что перемещение зарядов — это ток, физически движущиеся электроны. При распространении спина электроны не движутся, скорее, они передают друг другу определенное направление вращения, оставаясь на своих местах.

Использование спина вместо заряда значительно снижает перегрев устройств. Но перед физиками встают новые задачи: генерация спин-волнового сигнала, контроль его распространения, детектирование.

До недавнего времени спиновая динамика в основном изучалась с помощью нейтронного рассеяния. Однако этот метод подходит только для кусков образца весом от нескольких граммов. Для практического применения нужны материалы гораздо меньших размеров — магнитные пленки мезоскопической (10-9-10-6 метра) толщины. Понимание спиновой динамики в тонких пленках — важный шаг на пути к контролю над распространением спиновых волн, а значит, на пути к созданию эффективных устройств на основе этого явления.

Под руководством Валентины Бизоньи (Valentina Bisogni) ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории вместе с коллегами из Йельского университета изучили, как ведет себя спин электронов в образцах, толщина которых составляет около одного нанометра.

Они использовали резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) для исследования спектра спиновых возбуждений (ферромагнонов) в мезоскопических железных пленках. Результаты для объемных образцов совпали с теми, которые были получены ранее при помощи нейтронного рассеяния. Ферромагноны были распределены изотропно. Оказалось, что по мере уменьшения толщины материала изотропность исчезает: происходит перенормировка ферромагнонов на более низкие энергии, но только в направлении, перпендикулярном плоскости пленки.

Эти результаты говорят о том, что можно влиять на спиновую динамику образца, регулируя его толщину. Открытие позволит создавать необходимую для передачи информации магнитную среду, не подбирая материалы с нужными свойствами, а используя разные по размерам пленки одного и того же ферромагнетика.

Мы уже писали о спиновой динамике в ферромагнетиках в этом материале, а о том, как ученые научились контролировать магнитные свойства тонких пленок, можно почитать здесь.

Екатерина Назарова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.