Fysikere forudsiger ikke-metallisk halvmetallicitet

Et team af forskere fra det russiske videnskabsakademi (RAS), i samarbejde med en kollega fra RIKEN (Institute for Physical and Chemical Research in Japan), har givet teoretisk bevis for eksistensen af ​​en ny klasse materialer, spin-dal halvmetaller. Deres papir blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Opdagelsen har potentielle anvendelser inden for implanterbar elektronik og enheder baseret på grafen, nanorør, og en række andre lovende materialer.

Den mikroskopiske mekanisme, forskerne foreslår, adskiller sig markant fra den sædvanlige halvmetalmodel baseret på en stærk elektron-elektron-interaktion. Dette kan give anledning til en ny retning i søgen efter "ikke-metalliske" halvmetaller, dvs. dem, der ikke indeholder atomer af overgangsmetaller såsom nikkel, mangan og lanthan. Sådanne materialer ville være nyttige i implanterbare enheder og systemer. Forfatterne bruger udtrykket "spin-valley-tronics" til at henvise til dette mulige alternativ til traditionel elektronik.

Efterhånden som elektronikken bliver mindre og tættere organiseret, det er meget udfordrende at fortsætte med at øge antallet af transistorer eller mikroprocessorens klokhastighed. Så forskere rundt om i verden undersøger nye muligheder. En af dem er spintronics, som gør brug af elektronspin og allerede har nogle vigtige praktiske anvendelser. Omkring århundredeskiftet, brugen af ​​gigantiske magnetoresistansmaterialer i magnetfeltsensorer (bruges til at læse data på harddiske) har muliggjort lagring af meget større mængder data på harddiske.

Halvmetaller menes at have et stort potentiale inden for spintronics. De blev først forudsagt baseret på computersimuleringer og senere vist sig at eksistere eksperimentelt. I et halvmetallisk materiale, elektroner med kun en centrifugeringsretning - f.eks. dreje op - deltage i den elektriske strøm. Energien af ​​spin-down elektroner er for høj, og derfor kan de ikke bære ladestrøm. Det betyder, at når strømmen føres gennem et halvmetal, der genereres en spin-polariseret strøm, såvel. Men spin-valley-tronics søger at manipulere ikke kun en spin-polariseret population af elektroner i strømmen, men også det såkaldte dalindeks.

Udtrykket "dal" er lånt fra halvlederfysik. Matematisk, excitationsenergien i et fast stof er udtrykt ved E (k, n), hvor k er elektronens momentum og n er zoneindekset, dvs. en diskret kvanteegenskab ved elektronens tilstand. Denne funktion kan se temmelig underlig ud, og i tilfælde af flere minimum med sammenlignelige excitationsenergier, der er flere "dale". I det væsentlige, elektroner, hvis tilstande svarer til en af ​​dalene, ikke interagerer med elektroner fra en anden dal. Et sådant ensemble af elektroner kan ikke kun bære spin og lade, men også en særskilt værdi kaldet dalindekset.

Dalindekset kan bruges til at overføre oplysninger ved hjælp af dalstrømme - i denne henseende dalindekset ligner ret meget spin. Forskning i denne retning udføres i øjeblikket af flere grupper. Forskerne har nu teoretisk bevist eksistensen af ​​en ny klasse af materialer til brug i spin-dal-tronics.

De halvmetaller, der er tilgængelige for forskerne, indeholder alle atomer af overgangsmetaller:nikkel, mangan, lanthan, etc. Forskerne demonstrerede en teoretisk mekanisme til opnåelse af halvmetallicitet, der ikke kræver overgangsmetalatomer. Dette har en række nyttige applikationer, herunder i implanterbare enheder.

Fysikerne foreslår, at sådanne ikke-metalliske halvmetaller fås fra en særlig klasse dielektriske materialer kaldet ladnings- eller spindensitetsbølgeisolatorer. Udtrykket refererer til en tilstand med periodiske mikroskopiske områder med ikke -nul gennemsnitlig ladning (spin) i materialet. Teoretikere beskriver sådanne systemer som et kvantkondensat af elektron-hulpar. For at et par af denne slags dannes, to dale kræves:Den ene leverer elektroner, den anden giver huller. Det er tilstedeværelsen af ​​to dale i det originale system, der giver anledning til spin-valley halvmetallicitet. I halvlederfysik, et "hul" er en kvasipartikel, der anses for at have en positiv ladning.

For et materiale med en densitetsbølge til at blive et halvmetal, det kræver en særlig behandling kendt som doping. Dette indebærer inkorporering af elektroner eller huller i isolatoren. Alexander Rozhkov, en medforfatter af artiklen og en forsker ved MIPT's Institut for Problemer med Fysik og Energetik, forklarer, at et system kan dopes ved at udsætte det for et eksternt elektrisk felt eller kemiske ændringer af bulk eller overflade:"For hvert system, en passende type dopingatom - såsom nitrogen, fosfor, eller et andet element - skal vælges. Ved at udskifte værtsystemets atomer med urenheder, der donerer eller accepterer ledningselektroner, en ændring i egenskaberne af det originale materiale fremkaldes. "

Muligheden for doping af materialer med densitetsbølger er blevet diskuteret i litteraturen i lang tid. De systemer, forskerne behandler, har forskellige faser, herunder rumligt inhomogen - f.eks. stater med den såkaldte elektroniske faseseparation, og faserne med domænevægge, ofte kaldet "striber". Nu, forskerne har fundet den uventede opdagelse af to nye faser-regulær og spin-valley halvmetallicitet.

Artem Sboychakov, en af ​​forfatterne til papiret og en seniorforsker ved ITAE RAS, sagde, "På en måde, vores opdagelse viste sig at være en overraskelse selv for os selv. Den fysiske model, vi fandt, har en spin-valley halvmetallisk fase er en klassisk-det er blevet undersøgt i årtier. Det er nu op til eksperimenterne. Der er masser af materialer, der er tilstrækkeligt beskrevet af den model, vi behandlede. Jeg er derfor overbevist om, at den fase, vi forudsagde, i sidste ende vil blive opdaget, enten i et materiale, der er tilgængeligt i dag, eller i et materiale, der endnu ikke skal syntetiseres. "