Een team van onderzoekers van de Russische Academie van Wetenschappen (RAS), in samenwerking met een collega van RIKEN (Instituut voor Fysisch en Chemisch Onderzoek in Japan), heeft theoretisch bewijs geleverd van het bestaan ​​van een nieuwe klasse materialen, spinvallei halfmetalen. Hun artikel werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . De ontdekking heeft potentiële toepassingen in implanteerbare elektronica en apparaten op basis van grafeen, nanobuisjes, en een aantal andere veelbelovende materialen.

Het door de onderzoekers voorgestelde microscopische mechanisme verschilt aanzienlijk van het gebruikelijke halfmetaalmodel op basis van een sterke elektron-elektron-interactie. Dit kan aanleiding geven tot een nieuwe richting in de zoektocht naar "niet-metalen" halfmetalen, d.w.z., die geen atomen van overgangsmetalen bevatten zoals nikkel, mangaan en lanthaan. Dergelijke materialen zouden bruikbaar zijn in implanteerbare apparaten en systemen. De auteurs gebruiken de term "spin-valley-tronics" om te verwijzen naar dit mogelijke alternatief voor traditionele elektronica.

Naarmate elektronica kleiner en dichter georganiseerd wordt, het is een grote uitdaging om het aantal transistors of de kloksnelheid van de microprocessor te blijven verhogen. Daarom onderzoeken onderzoekers over de hele wereld nieuwe mogelijkheden. Een daarvan is spintronica, die gebruik maakt van elektronenspins en al enkele belangrijke praktische toepassingen heeft. Rond de eeuwwisseling het gebruik van gigantische magnetoweerstandsmaterialen in magnetische veldsensoren (gebruikt om gegevens op harde schijven te lezen) heeft de opslag van veel grotere hoeveelheden gegevens op HDD's mogelijk gemaakt.

Er wordt aangenomen dat halfmetalen een groot potentieel hebben in spintronica. Ze werden eerst voorspeld op basis van computersimulaties en bleken later experimenteel te bestaan. In een halfmetalen materiaal, elektronen met slechts één spinoriëntatie, bijvoorbeeld spin up-deelnemen aan de elektrische stroom. De energie van spin-down elektronen is te hoog, en daarom kunnen ze geen laadstroom dragen. Dit betekent dat wanneer de stroom door een halfmetaal wordt geleid, een spin-gepolariseerde stroom wordt gegenereerd, ook. Maar spin-valley-tronica probeert niet alleen een spin-gepolariseerde populatie van elektronen in de stroom te manipuleren, maar ook de zogenaamde vallei-index.

De term "vallei" is ontleend aan de halfgeleiderfysica. wiskundig, de excitatie-energie in een vaste stof wordt uitgedrukt door E (k, N), waarbij k het momentum van het elektron is en n de zone-index is, d.w.z., een discrete kwantumeigenschap van de toestand van het elektron. Deze functie ziet er misschien wat vreemd uit, en in het geval van meerdere minima met vergelijkbare excitatie-energieën, er zijn meerdere "dalen". Eigenlijk, elektronen waarvan de toestand overeenkomt met een van de valleien, hebben geen interactie met elektronen uit een andere vallei. Zo'n ensemble van elektronen kan niet alleen spin en lading dragen, maar ook een duidelijke waarde die de vallei-index wordt genoemd.

De vallei-index kan worden gebruikt om informatie over te dragen met behulp van dalstromingen - in dit opzicht de vallei-index lijkt veel op spin. Onderzoek in deze richting wordt momenteel uitgevoerd door verschillende groepen. De onderzoekers hebben nu theoretisch het bestaan ​​bewezen van een nieuwe klasse materialen voor gebruik in spin-valley-tronica.

De halfmetalen waarover de onderzoekers beschikken, bevatten allemaal atomen van overgangsmetalen:nikkel, mangaan, lanthaan, enz. De onderzoekers demonstreerden een theoretisch mechanisme voor het bereiken van halfmetalliciteit waarvoor geen overgangsmetaalatomen nodig zijn. Dit heeft een aantal handige toepassingen, ook in implanteerbare apparaten.

De natuurkundigen suggereren dat dergelijke niet-metalen halfmetalen worden verkregen uit een speciale klasse van diëlektrische materialen die ladings- of spindichtheidsgolfisolatoren worden genoemd. De term verwijst naar een toestand met periodieke microscopische gebieden met niet-nul gemiddelde lading (spin) in het materiaal. Theoretici beschrijven dergelijke systemen als een kwantumcondensaat van elektron-gatparen. Om zo'n paar te vormen, er zijn twee valleien nodig:de ene levert elektronen, de andere biedt gaten. Het is de aanwezigheid van twee valleien in het oorspronkelijke systeem die aanleiding geeft tot de halfmetalliciteit van de spinvallei. In de halfgeleiderfysica een "gat" is een quasideeltje waarvan wordt aangenomen dat het een positieve lading heeft.

Om een ​​materiaal met een dichtheidsgolf een halfmetaal te laten worden, het vereist een speciale behandeling die bekend staat als doping. Dit omvat de opname van elektronen of gaten in de isolator. Alexander Rozjkov, een co-auteur van het artikel en een onderzoeker bij MIPT's Department of Problems of Physics and Energetics, legt uit dat een systeem kan worden gedoteerd door het te onderwerpen aan een extern elektrisch veld of chemische modificaties van bulk of oppervlak:"Voor elk systeem, een geschikt type doteringsatoom, zoals stikstof, fosfor, of een ander element—moet worden geselecteerd. Door atomen van het gastheersysteem te vervangen door onzuiverheden die geleidingselektronen doneren of accepteren, een verandering in de eigenschappen van het oorspronkelijke materiaal wordt veroorzaakt."

De mogelijkheid om materialen met dichtheidsgolven te doteren, wordt al lang in de literatuur besproken. De door de onderzoekers behandelde systemen kennen verschillende fasen, inclusief ruimtelijk inhomogeen, bijvoorbeeld toestanden met de zogenaamde elektronische fasescheiding, en de fasen met domeinmuren, vaak "strepen" genoemd. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben de onverwachte ontdekking gedaan van twee nieuwe fasen:regelmatige en spinvallei halfmetalliciteit.

Artem Sboychakov, een van de auteurs van het artikel en een senior onderzoeker bij ITAE RAS, zei, "Op een manier, onze ontdekking bleek zelfs voor onszelf een verrassing. Het fysieke model dat we hebben gevonden, heeft een spin-vallei half-metaalfase is een klassieke fase - het is al tientallen jaren bestudeerd. Het is nu aan de onderzoekers. Er zijn tal van materialen die adequaat worden beschreven door het model dat we hebben behandeld. Ik ben er dan ook van overtuigd dat de fase die we voorspelden uiteindelijk ontdekt zal worden, ofwel in een materiaal dat vandaag beschikbaar is of in een materiaal dat nog moet worden gesynthetiseerd."