Физики предсказали неметаллическую полуметалличность — Naked Science
16 минут
ФизТех

Физики предсказали неметаллическую полуметалличность

Ученые из МФТИ и ИТПЭ РАН обосновали существование нового класса материалов.

Спин-долинный полуметалл
Спин-долинный полуметалл / Пресс-служба МФТИ

Исследователи из МФТИ и ИТПЭ РАН вместе с коллегой из Японии теоретически обосновали существование нового класса материалов. Описанные в статье для журнала Physical Review Letters системы предложено назвать «спин-долинными полуметаллами» (англ. spin-valley half-metals), и они могут найти применение во вживляемой электронике вкупе с устройствами на основе графена, нанотрубок и других перспективных материалов.

Предложенный микроскопический механизм существенно отличается от ранее известной и основанной на сильном межэлектронном взаимодействии модели полуметаллов. Это позволяет надеяться на получение по-настоящему «неметаллических» полуметаллов без атомов переходных металлов вроде никеля, марганца или лантана. Такие полуметаллы пригодились бы во вживляемых устройствах и системах на основе перспективных углеродных материалов. Сами исследователи предлагают термин «спин-долинная электроника» для одной из возможных альтернатив традиционной электронике.

За прошедшее с момента появления первых радиоламп время электроника подошла к пределу своих возможностей. Увеличивать дальше число транзисторов на чипах или повышать тактовую частоту микропроцессоров затруднительно, и сегодня ученые рассматривают иные подходы вроде спинтроники, опирающейся на наличие у электрона спина. Спинтроника уже используется на практике: например, эффект гигантского магнитосопротивления позволил еще на рубеже XXI столетия резко повысить емкость жестких дисков за счет применения более чувствительных датчиков магнитного поля для считывания информации.

Над созданием новых спинтронных устройств специалисты активно работают по всему миру. Один из перспективных типов материалов для спинтроники — так называемые полуметаллы (в англоязычной литературе — half-metals), предсказанные физиками при помощи компьютерного моделирования, а потом обнаруженные экспериментальным путем. В отличие от металла, полуметалл проводит ток только электронами с заданным спином: например, со спином вверх, а электроны со спином вниз имеют слишком большую энергию и в переносе заряда принять участие не могут. Благодаря этому электрический ток через полуметалл автоматически переносит спин, то есть является еще и спиновым током.

Спин, собственный момент импульса элементарных частиц, у электрона всегда равен ½ и может быть направлен вверх или вниз.
Спин, собственный момент импульса элементарных частиц, у электрона всегда равен ½ и может быть направлен вверх или вниз.

В спин-долинной электронике предлагается контролировать не только переносимый током спин, но и так называемый долинный индекс. Термин «долина» взят из физики полупроводников. В твердых телах энергия возбуждения электронных состояний математически выражается как функция E(k,n). Здесь k обозначает импульс электрона, а n — индекс зоны, то есть дискретную квантовую характеристику состояния электрона. Такая функция может иметь весьма причудливый вид, и если она имеет несколько минимумов со сравнимыми значениями энергии возбуждения, то говорят о наличии долин. Приближенно можно считать, что электроны, состояние которых соответствует одной из долин, не взаимодействуют с электронами, которые находятся в другой долине. Такой электронный коллектив может переносить не только спин и заряд, но и новую величину — долинный индекс.

Долинный индекс может быть использован для передачи информации с помощью «долинных» токов, по аналогии со спиновыми токами. Работы в этом направлении уже ведутся рядом исследовательских групп, так что речь в новой публикации идет не просто о теоретической абстракции. Новизна заключается не в идее использовать долинный индекс, а в обосновании нового класса материалов, на основе которых возможно создать спин-долинную электронику.

Физики предсказали неметаллическую полуметалличность
На рисунке изображены зависимости энергии электронов и дырок от их импульса и спина (четыре черные кривые соответствуют двум проекциям спина электрона и двум проекциям спина дырки). Жирная кривая соответствует электронным состояниям, способным поддерживать электрический ток (образующим поверхность Ферми). В зависимости от того, каковы взаимные направления спинов дырок (красные стрелки) и спинов электронов (синие стрелки) на поверхности Ферми, можно получить обычный полуметалл (с) или спин-долинный (d).

Что нового?

Уже имеющиеся в распоряжении физиков полуметаллы содержат в своем составе атомы переходных металлов: никеля, марганца или лантана. Авторский коллектив, объединяющий ученых из России и Японии, предложил теоретический сценарий возникновения полуметалличности, не требующий атомов переходных металлов. Такое свойство может быть весьма удачным для ряда приложений вроде вживляемых устройств.

Получать «неметаллические полуметаллы» физики предлагают из особого класса токонепроводящих материалов, так называемых диэлектриков с волной зарядовой или спиновой плотности. Волнами зарядовой/спиновой плотности называют периодически расположенные в материале микроскопические участки с ненулевым средним зарядом/спином. Физики-теоретики описывают подобные системы как квантовый конденсат электрон-дырочных пар. Для получения такой пары нужны две долины, одна даст электроны, другая — дырки («дыркой» в полупроводниках называют квазичастицу, проявляющую себя как положительный заряд). Именно наличие двух долин в исходной системе даст возможность создать спин-долинный полуметалл.

Для того чтобы материал с волной плотности стал полуметаллом, его необходимо подвергнуть специальной обработке, легировать. Легирование, или, как еще говорят, допирование, — это добавление электронов или дырок в исходный изолятор. Как поясняет один из авторов работы, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ Александр Рожков, в основе допирования может лежать как воздействие на систему внешним электрическим полем, так и химические модификации поверхности или объема: «Для конкретной системы можно подбирать легирующие атомы — азота, фосфора или иных элементов — так, чтобы они замещали атомы чистой системы, отдавая или принимая электроны проводимости, меняя свойства исходного материала».

Вопрос о допировании материалов с волнами плотности обсуждался давно: в новой публикации упоминаются и статьи, выпущенные еще в 1970-е годы. В подобных системах обнаружены разнообразные фазы, в том числе и пространственно-неоднородные (так называемое фазовое расслоение, а также состояния с доменными стенками, часто называемыми «страйпами»). И вот новая неожиданность — предсказание двух новых фаз, обычного и спин-долинного полуметалла.

Один из соавторов работы, старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной электродинамики РАН Артем Сбойчаков, прокомментировал исследование следующим образом: «В каком-то смысле наше открытие оказалось сюрпризом даже для нас самих. Физическая модель, в которой мы обнаружили наличие полуметаллической спин-долинной фазы, известна уже несколько десятилетий и является по сути классической. Это в сущности подтверждает знаменитый ленинский тезис о неисчерпаемости электрона наравне с атомом. Теперь дело за экспериментаторами. Веществ, которые хорошо описываются рассмотренной нами моделью, известно достаточно много. Поэтому я убежден, что предсказанная нами фаза будет в конце концов обнаружена, либо в уже существующих соединениях, либо в материалах, которые будут синтезированы в будущем».

Сам факт публикации в одном из самых цитируемых физических журналов, Physical Review Letters, уже указывает на признание важности идеи физиков МФТИ, Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, а также японского Института физико-химических исследований RIKEN. Но, кроме того, один из соавторов работы, главный научный сотрудник Института теоретической и прикладной электродинамики РАН Климент Кугель замечает: «На недавней конференции в Москве я обсуждал эту идею с Санг-Вук Чеонгом (Sang-Wook Cheong), директором центра перспективных материалов Ратгерского университета (Rutgers University), США. Он известный физик-экспериментатор с совершенно рекордным индексом цитируемости; достаточно сказать, что у него имеется примерно сотня статей, на каждую из которых не менее сотни ссылок. Ему понравилась наша работа, и он сказал, что одно из его любимых увлечений — взять какое-нибудь предложение теоретиков и найти конкретный материал, где оно реализуется. Почти всегда ему это удавалось. Будем надеяться, что и нам в данном случае повезет».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
196 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

11 часов назад
8 минут
Мария Азарова

Как показали авторы нового исследования, белок GATA6 участвует в регуляции волосяных фолликулов и может стать мишенью при лечении акне.

Вчера, 14:56
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых реконструировала события крупнейшего вымирания в истории Земли — пермско-триасового — и назвала ключевой, по ее мнению, фактор, который привел к катастрофе.

Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 12:21
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: