Ученые из Курчатовского института получили структуры из слоев двумерного кремния, разделенных одноатомными слоями редкоземельных металлов. Интересен тот факт, что в их образцах ферромагнитные свойства начинали появляться, когда материал состоял из всего нескольких плоских одноатомных слоев, в то время как «обычный» трехмерный кристалл с такой же структурой являлся антиферромагнетиком. Авторы исследования отмечают, что их работа — это, возможно, первое экспериментальное подтверждение того, что за двумерный магнетизм в таких структурах ответственен именно кремний. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Communications.

Благодаря развитию технологий, в последние десятилетия начала бурно развиваться спинтроника — электроника, в которой информация переносится не электронами, а их спином, то есть магнитным моментом электрона. Спинтронные устройства потенциально могут превосходить обычные электронные в скорости и энергоэффективности на несколько порядков. Кроме того, на основе спина можно создать память, которая не требует постоянной подпитки для хранения информации. На данный момент идет активный поиск материалов, пригодных для использования в спинтронных элементах. Но, кроме магнитных свойств, такие материалы должны удовлетворять еще ряду требований: масштабируемость, возможность постепенной интеграции с современной кремниевой электроникой, малые размеры, энергоэффектиность и другие.

Перенос информации спином, как правило, выглядит следующим образом: пройдя через первый ферромагнетик-источник, электроны поляризуются по спину. Далее, проходя через немагнитный слой-проводник, их спин остается (в идеале) неизменным. Попадая после этого в другой ферромагнетик, электроны его «перемагничивают», передавая таким образом информацию от одного элемента к другому.

Как утверждает Вячеслав
Сторчак, начальник лаборатории новых
элементов наноэлектроники Курчатовского института, в их лаборатории открыли целый класс новых двумерных ферромагнетиков на основе силицена, кремниевой пленки толщиной в один атом. Общая структура магнита следующая: слой силицена — слой редкоземельного металла — слой силицена — слой редкоземельного металла и так далее. Изготовление таких структур производилось методом молекулярно-лучевой эпитаксии, напылением новых слоев вещества на уже существующую часть кристалла при больших температурах и высоком вакууме. Для первых экспериментов в качестве редкоземельных элементов были выбраны гадолиний и европий.

Специфика двумерных ферромагнетиков заключается в том, что в них, как правило, все взаимодействия происходят локально и присутствует только ближний магнитный порядок. Кроме того ненулевая температура тоже препятствует формированию дальнего магнитного порядка. Для того, чтобы получить возможность формировать дальний магнитный порядок, необходимо либо добавить механизм взаимодействия далеко разнесенных в пространстве атомов, либо запретить некоторые значения в спектре спиновых волн. Второй способ ученые и реализовали в своей структуре с помощью небольших магнитных полей. Таким образом спиновые волны просто не могли угаснуть в образце из-за того, что для угасания им необходимо в некоторый момент попасть в запрещенное самой структурой состояние.

Результатов работы несколько: во-первых, структура из нескольких слоев силицен — редкоземельный металл — силицен при малом количестве слоев (1-10) демонстрирует хорошо наблюдаемые ферромагнитные свойства. Во-вторых, ферромагнетизм силицена имеет другую природу, отличную от открытых ранее магнитных хромовых пленок. В-третьих, ферромагнитные силиценово-редкоземельные пленки более чувствительны к температуре, чем полученные раньше хромовые.

«Открытие
первого класса 2D-магнитов, совместимых
с кремниевой технологией, может
значительно повлиять на различные
области науки и технологии, — подытожил
Вячеслав Сторчак в пресс-релизе РНФ, поступившем в редакцию N+1. — Опубликованные
результаты могут служить новой платформой
для исследования двумерных явлений в
слоистых структурах. Это одно из очень
немногих исследований силиценовых
материалов, где удалось пойти дальше
структурных исследований, и, возможно,
первое, где удалось экспериментально
продемонстрировать определяющую роль
силиценовой решетки. Структура силиценовых
магнитов замечательно подходит для
создания различных гетероструктур из кремния, что может найти применение в
создании новых элементов электроники».

Александр Чепилко