Литий-ионный и с твердым электролитом - создан новый транзистор для спинтроники
Одна из самых "горячих" областей прикладной физики, спинтроника, занимается устройствами, использующими для выполнения полезных функций спин электронов. Однако измерять это фундаментальное квантовое свойство и, вообще, манипулировать им, остается непростой задачей.
Результаты исследования, предпринятого группой ученых Токийского научного университета и Национального института материаловедения (NIMS), должны помочь устранить некоторые из ограничений, свойственных современным устройствам спинтроники, такие как завышенный расход энергии, низкие рабочие температуры и потребность в редких и дорогостоящих материалах.
В статье, появившейся в журнале ACS Nano, японские инженеры представили простую, но, вместе с этим, эффективную стратегию изменения угла намагниченности в типичном ферромагнитном материале - магнетите (Fe3O4).
Команде удалось сконструировать окислительно-восстановительный (редокс) транзистор, содержащий тонкую пленку магнетита на оксиде магния и твердый электролит из силиката лития с микродобавкой циркония. Введение ионов лития в твердый электролит позволяло добиться вращения угла намагничивания при комнатной температуре и существенно изменить плотность электронных носителей. Это вращение намагниченности вызвано изменением спин-орбитальной связи из-за инъекции электронов в ферромагнетик.
В отличие от прежних попыток управления углом намагниченности, в которых использовали сильные внешние магнитные поля или спиновые токи, новый подход основан на обратимой электрохимической реакции. После приложения внешнего напряжения ионы лития мигрируют из верхнего электрода (оксид литий-кобальта) через электролит в слой магнетита. Ионы внедряются в структуру этого материала, образуя соединение LixFe3O4 и вызывают заметное вращение его угла намагничивания из-за изменений в носителях заряда.
Используя этот эффект, в экспериментах удалось обратимо изменять угол намагниченности примерно на 10°. Авторы смогли, увеличив напряжение, повернуть намагниченность даже на 56°, однако такие изменения уже не были полностью обратимыми из-за искажений кристаллической структуры, вызываемых ее перенасыщением ионами лития.
Полученное устройство имеет сравнительно простую конструкцию, его легко изготавливать промышленным способом. Возможность же управлять намагниченностью при комнатных температурах существенно приближает появления экономичного спинтронного оборудования для широкого круга практических задач.
"В будущем мы постараемся добиться поворота угла намагничивания на 180 °, - говорит доктор Кадзуя Терабе (Kazuya Terabe), главный исследователь Международного центра наноархитектоники материалов при NIMS и соавтор работы. - Это позволило бы создать высокоплотные устройства спинтронной памяти большой емкости и даже нейроморфные устройства, имитирующие биологические нейронные системы". Некоторые другие приложения спинтроники относятся к востребованной области квантовых вычислений.
