Описан простой способ управления магнитными свойствами полупроводника

Японские физики нашли перспективный способ обратимого превращения парамагнитного полупроводникового материала в ферромагнитный.

Ферромагнетизм, напомним, предполагает самопроизвольное упорядочивание спинов электронов, которое наблюдается в определённом интервале температур в металлах вроде железа и кобальта. Парамагнетики, напротив, проявляют себя как немагнитные материалы, пока их не помещают во внешнее поле, выравнивающее спины. Кремний, наиболее распространённый из полупроводников, относится именно к парамагнетикам.

Авторы взяли другой полупроводниковый материал, диоксид титана, и добавили к нему кобальт, получив соединение Ti_0,90Co_0,10O₂. В обычных условиях спины электронов в каждом ионе кобальта выравниваются, но ионы ориентируются хаотически, чего и следовало ожидать от парамагнетика. В проведённом японцами эксперименте на образец подавалось напряжение, в его объём попадали «дополнительные» электроны, которые, так сказать, переносили информацию о направлении спинов от одного иона к другому, и материал становился ферромагнетиком.

Рис. 1. Обычный диоксид титана (иллюстрация Eye of Science / Science Photo Library).

Новаторским этот опыт не назовёшь, поскольку возможность такого изменения магнитных свойств полупроводникового материала была продемонстрирована ещё в 2000 году. Интересной новую работу делают особенности экспериментальной методики: если одиннадцать лет назад переход между магнитными состояниями совершался при температуре в 25 К и напряжении в 125 В, то сейчас температура соответствовала комнатной, а прикладываемая разность потенциалов равнялась 4 В.

По мнению авторов, обнаруженный ими удобный способ управления магнитными свойствами должен способствовать развитию магниторезистивной оперативной памяти.

Элементы такой памяти формируются из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким слоем диэлектрика, причём электрическое сопротивление ячейки меняется в зависимости от ориентации намагниченностей в слоях. Обычно одинаковую ориентацию, соответствующую меньшему сопротивлению, интерпретируют как «0», а состояние с более высоким сопротивлением — как «1».

Для записи информации в ячейку приходится использовать комбинацию магнитного поля и тока. Если спины можно будет «переворачивать», подавая напряжение, магниторезистивная оперативная память станет намного более привлекательной разработкой.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Y. Yamada, K. Ueno, T. Fukumura, H. T. Yuan, H. Shimotani, Y. Iwasa, L. Gu, S. Tsukimoto, Y. Ikuhara and M. Kawasaki Electrically Induced Ferromagnetism at Room Temperature in Cobalt-Doped Titanium Dioxide. – Science. – 27 May 2011. –
Vol. 332. – no. 6033. – pp. 1065–1067; DOI: 10.1126/science.1202152.

Источник(и):

1. PhysicsWorld

2. compulenta.ru