Fysikere indstiller en spindiode

Et team af fysikere ved MIPT har tilbudt et nyt design af en spindiode, placere enheden mellem to slags antiferromagnetiske materialer. Ved at justere orienteringen af ​​deres antiferromagnetiske akser, det er muligt at ændre diodens modstand og resonansfrekvens. Ud over, denne tilgang tredobler rækkevidden af ​​frekvenser, hvorpå enheden kan ensrette vekselstrøm. På samme tid, følsomheden af ​​spindioden er sammenlignelig med dens halvlederanaloger. Avisen blev udgivet i Fysisk gennemgang B .

"Konventionelle spindioder med frie ferromagnetiske lag fungerer kun på forudbestemte frekvenser, der ikke overstiger to til fire gigahertz, " forklarer seniorforsker Konstantin Zvezdin fra Laboratory of Magnetic Heterostructure Physics and Spintronics for Energy-Efficient Information Technologies ved MIPT.

"I denne avis, vi foreslår en diode med ferromagnetiske lag fastgjort af antiferromagnetiske lag. Dette gør det muligt for enheden at fungere ved næsten 10 gigahertz, uden at ofre dens følsomhed på nogen væsentlig måde. Som resultat, vi udvider rækken af ​​mulige anvendelsesmuligheder for spindioder til at omfatte ting som maskinsyn til al slags vejr baseret på mikrobølgeholografi, blandt andre, " siger forskeren, der også leder et projekt med fokus på spintronik på det russiske kvantecenter.

Elektroniske enheder såsom dioder, transistorer, operationsforstærkere, osv. manipulere elektriske strømme. Med andre ord, deres drift afhænger af strømmen af ​​ladede partikler – elektroner og huller. I en halvlederdiode, for eksempel, der er et område kaldet p-n krydset, hvor et materiale med en stor elektronkoncentration møder materialet med en stor hulkoncentration. Som resultat, den elektriske strøm kan kun passere gennem krydset i én retning. På grund af dette, dioder kan bruges til at bygge en ensretter - dvs. en enhed, der omdanner vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC).

Ud over at betale, elektroner har en anden vigtig egenskab, spin, som er en kvantemekanisk analog af et roterende legemes vinkelmomentum i klassisk fysik. Normalt, elektronernes spins i en elektrisk strøm er tilfældigt orienteret. Imidlertid, det er muligt at justere dem, resulterer i et ejendommeligt fænomen kaldet spinstrøm. Spintronics er studiet af spinstrømme. Nu, forskere har fundet ud af, hvordan man fremstiller spintroniske nanogeneratorer, mikrobølgestrålingsdetektorer, og magnetfeltsensorer, der overgår deres elektroniske analoger.

Som en halvlederdiode, spindioden fungerer som ensretter. Det er lavet ved at indsætte et lag af dielektrisk materiale mellem to tynde ferromagneter. Operationen er baseret på effekter kaldet tunnelmagnetoresistens og spin-overførselsmoment. Når en strøm løber gennem det første ferromagnetiske lag, elektronernes spins flugter med dets magnetisering, resulterer i en spinstrøm. Elektronerne tunnelerer derefter gennem det dielektriske materiale og løber ind i det andet ferromagnetiske lag. Afhængigt af vinklen mellem dette lags magnetisering og elektronernes spin, det kan være lettere eller sværere for dem at passere igennem. Derfor, modstanden af ​​enheden er en funktion af den gensidige orientering af de magnetiske lag (første effekt). På samme tid, elektronerne forsøger at dreje det andet lag for at gøre det nemmere for dem at passere igennem (anden effekt). Derfor, når en AC strømmer gennem dioden, magnetiseringen af ​​dens lag – og med den, modstanden – svinger med strømmen, at rette op på det.

Dette gør det muligt at fremstille spindioder med en følsomhed på over 100, 000 volt pr watt, hvorimod konventionelle Schottky-dioder maksimalt er 3, 800. Følsomhed er defineret som forholdet mellem udgangs-DC-spændingen og den tilførte AC-effekt. Det er indikativt for, hvor godt enheden kan ensrette en elektrisk strøm. En af fejlene ved spindioder er, at deres følsomhed er stærkt afhængig af AC-frekvensen, spidser nær en vis resonans og falmer hurtigt til næsten nul andre steder. Det skal også bemærkes, at resonansfrekvenserne for alle tidligere fremstillede spindioder ikke overstiger 2 gigahertz. Imidlertid, nogle applikationer, blandt dem mikrobølgeholografi, kræver dioder, der arbejder ved højere frekvenser.

I deres papir, de MIPT-baserede fysikere beskriver en måde at forudindstille diodens resonansfrekvens under fremstilling og samtidig øge dens driftsfrekvens. For at opnå dette, de klæber den ferromagnetiske "sandwich"-struktur mellem to antiferromagnetiske lag (se fig. 1b). Som resultat, ferromagneterne bliver fastgjort til antiferromagneter i det, der er kendt som exchange pinning, tillader vinklen mellem ferromagneternes magnetiseringer (fig. 1a, nederst) skal kontrolleres. Dette gør det muligt for forskerne at justere modstanden og resonansfrekvensen af ​​enheden. For at teste, om det foreslåede design er gennemførligt, forskerne modellerede numerisk en spindiode med lag, der er flere nanometer tykke, og studerede dens egenskaber.

I ferromagnetiske og antiferromagnetiske materialer, atomernes spins udviser lang rækkefølge - dvs. strukturen gentager sig selv. I en ferromagnet, alle atomers spins er justeret parallelt med en bestemt akse, hvorimod de i antiferromagneter orienterer sig vinkelret på aksen. For at gøre dette billede mere realistisk, du skal også tage højde for virkningen af ​​termiske fluktuationer på spin-orienteringer. Når en bestemt temperatur er nået, spin-orienteringer er fuldstændig randomiseret af de termiske udsving, ødelægge den lange rækkefølge og forvandle materialet til en paramagnet. For ferromagnetiske materialer, denne kritiske temperatur kaldes Curie-punktet. For antiferromagnetiske materialer, det er kendt som Néel-temperaturen. Et andet træk ved materialer fra den virkelige verden er, at spindene i dem kun udviser justering over makroskopiske områder kendt som domæner, ikke i hele materialet.

Hvad modellen viste

Først undersøgte holdet, hvordan vinklen θ mellem ferromagnetiske lagmagnetiseringer afhænger af vinklen φ mellem antiferromagneternes akser (fig. 1a, top). Det sidste, også kendt som den antiferromagnetiske pinningsvinkel, kan styres under fremstillingen af ​​dioden. Som det ses i figur 2, disse vinkler er relaterede, men ikke ens. Det viste sig, at vinklen mellem magnetiseringerne kun kan varieres mellem 110 og 170 grader. I øvrigt, afhængigheden er ikke-lineær for intervallet fra 110 til 140 grader. Alligevel, dette spillerum er tilstrækkeligt til at kontrollere diodens egenskaber.

Forskerne fortsatte med at undersøge afhængigheden af ​​diodefølsomhed på AC-frekvensen, fiksering af vinklen mellem lagmagnetiseringer. De fandt ud af, at nær resonansfrekvensen, enhedens følsomhed øges kraftigt (fig. 3), når omkring 1, 000 volt pr watt. Denne værdi er lavere end den maksimale følsomhed for tidligere fremstillede spindioder, men det kan sammenlignes med den samme værdi af konventionelle halvlederdioder.

Vigtigt, resonansfrekvensen for den nye diode kan indstilles i området fra 8,5 til 9,5 gigahertz ved at styre vinklen φ, når enheden er fremstillet. Det sagt, forskerne har kun studeret deres foreslåede design teoretisk. Det næste trin ville være at oprette en eksperimentel prøve og bruge den til at teste deres forudsigelser.

I en tidligere undersøgelse, MIPT-fysikere exciterede magnetiske hvirvler i spintroniske enheder baseret på et ferromagnetisk materiale og en topologisk isolator. Sidstnævnte er et ejendommeligt materiale, der fungerer som en leder på overfladen, men ellers er en isolator.