Русские замахнулись на вечную память

Ученые из МГУ и РАН развивают спинтронику и магнонику — новые области квантовой электроники

Эффективные аккумуляторы и память с нулевым энергопотреблением стали реальнее благодаря исследованиям феррита висмута, проведенным российскими учеными совместно с их зарубежными коллегами.

Одна из самых интересных задач, которые решает современная электроника, — это создание очень быстрых устройств без высоких потерь энергии в виде тепла. Считается, что в перспективе нас ждут аккумуляторы без химических реакций, которые переводят электричество в энергию постоянного магнита и обратно, магниторезистивная память с нулевым энергопотреблением и почти вечным ресурсом, более совершенные, чем сейчас, магнитные головки записи в жестких дисках, а также оптические устройства нанометровых масштабов. Ключом к инновациям подобного типа является управление спинами частиц в функциональных материалах.

Переключая спины (точнее, их направления), можно менять магнитное или электрическое состояние вещества.

Осуществить переключение спинов очень просто, быстро и без потерь энергии можно путем магнитного, электрического или механического воздействия. Из идеи со спинами родились два прорывных направления в электронике — спинтроника (в ней используется замена физического тока электронов на «ток» их спинов) и магноника (изучает спиновые волны — распространяющиеся во времени возмущения магнитных свойств материала, а по сути — направлений спинов). Особенность спиновых волн — их длина на порядки меньше, чем световых волн при той же частоте. На принципах спинтроники или магноники будут основаны все вышеперечисленные устройства.

Функциональные материалы для этих областей в последние годы вызывают высокий интерес — примерно каждые пять лет количество посвященных им публикаций удваивается.

У истоков направления еще в 1950–1960-х годах стояли советские ученые.

Лев Ландау и Евгений Лифшиц сформулировали необходимые условия магнитоэлектрического эффекта — то есть эффекта, при котором электрическое поле вызывает в материале намагниченность, а магнитное поле — электрическую поляризацию. В 1959 году ученик Ландау Игорь Дзялошинский указал на оксид хрома (Cr₂O₃) как на потенциальный магнитоэлектрик, а через год соответствующий эффект в этом веществе (он проявляется ниже 34°С) был обнаружен Д. Н. Астровым.

Ренессанс интереса к материалам с магнитоэлектрическим эффектом при более высоких температурах (а это важно для практических приложений) произошел в 1990–2000-х годах. Необычным свойствам пленок одного из таких веществ – феррита висмута (BiFeO₃) посвящена опубликованная в Nature Materials статья, соавторами которой стали российские специалисты из МГУ и ИОФ РАН.

Ученым удалось показать, что под действием механических напряжений магнитные и электрические свойства BiFeO₃ меняются таким образом, что он становится очень перспективным кандидатом для устройств спинтроники и магноники.

Феррит висмута обладает интересной особенностью: под влиянием внутренних электрических полей в нем образуются так называемые спиновые циклоиды — структуры, спины в которых образуют макроскопические спирали. «Представьте, что вместо того, чтобы физически изгибать кристалл, мы «изогнули» направления магнитных моментов атомов (спинов) в нем таким образом, что они образовали спираль, — поясняет доцент физического факультета МГУ Александр Пятаков, принимавший участие в исследовании. — Такая спираль подобна взведенной пружине, но это не механическая пружина, а магнитная».

Магнитные «пружины» обладают новыми свойствами, не присущими однородно намагниченному веществу.

Помимо реакции на магнитное поле они приобретают чувствительность к электрическому полю и механическим напряжениям.

«Практическая польза от этого – перестраивая форму «пружин» с помощью напряжений, возникающих в пленках феррита висмута, можно изменять магнитосопротивление спиновых клапанов (сэндвичеобразные структуры, используемые в жестких дисках и спинтронике), а также влиять на условия распространения спиновых волн и микроволновые свойства материала (это уже из области магноники)», — говорит Пятаков.

Основной эксперимент был проведен французскими учеными, которые обратились к своим российским коллегам за помощью в теоретическом объяснении подобных перестроек: они почему-то происходили только в тонких пленках, но не в крупном монокристалле. Теория же четко указала на причину — «пружины» в тонких пленках и монокристалле различны по своей структуре — и обосновала такие различия. «С Анатолием Константиновичем Звездиным из ИОФ РАН мы это направление развивали давно и были готовы к тем результатам, которые прислали французы, — рассказывает Пятаков. — Мы посмотрели на них и сказали: «А, так это то, что нужно!».

На физическом факультете МГУ материалы на основе феррита висмута исследуют не только в теории, но и в эксперименте: ранее в проблемной лаборатории магнетизма их изучали с помощью сильных магнитных полей.

«Опубликованная в «Письмах в ЖЭТФ» на эту тему статья — одна из наиболее цитируемых в истории журнала», — отмечает Александр Пятаков.