Een team van natuurkundigen bij MIPT heeft een nieuw ontwerp van een spindiode aangeboden, het plaatsen van het apparaat tussen twee soorten antiferromagnetische materialen. Door de oriëntatie van hun antiferromagnetische assen aan te passen, het is mogelijk om de weerstand en de resonantiefrequentie van de diode te veranderen. In aanvulling, deze benadering verdrievoudigt het frequentiebereik waarop het apparaat wisselstroom kan corrigeren. Tegelijkertijd, de gevoeligheid van de spindiode is vergelijkbaar met die van zijn halfgeleideranalogen. De krant is gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

"Conventionele spindiodes met vrije ferromagnetische lagen werken alleen op vooraf bepaalde frequenties die niet hoger zijn dan twee tot vier gigahertz, ", legt senior onderzoeker Konstantin Zvezdin van het Laboratory of Magnetic Heterostructure Physics and Spintronics for Energy-Efficient Information Technologies bij MIPT uit.

"In deze krant, we stellen een diode voor met ferromagnetische lagen vastgepind door antiferromagnetische lagen. Hierdoor kan het apparaat werken op bijna 10 gigahertz, zonder de gevoeligheid ervan op enige significante manier op te offeren. Als resultaat, we breiden het scala aan mogelijke toepassingen van spindiodes uit met zaken als machinevisie voor alle weersomstandigheden op basis van microgolfholografie, onder andere, ", zegt de onderzoeker die ook een project leidt dat gericht is op spintronica in het Russische Quantum Center.

Elektronische apparaten zoals diodes, transistoren, operationele versterkers, enz. elektrische stromen manipuleren. Met andere woorden, hun werking is afhankelijk van de stroom van geladen deeltjes - elektronen en gaten. In een halfgeleiderdiode, bijvoorbeeld, er is een gebied dat de pn-overgang wordt genoemd, waar een materiaal met een grote elektronenconcentratie het materiaal met een grote gatenconcentratie ontmoet. Als resultaat, de elektrische stroom kan maar in één richting door de junctie gaan. Daarom, diodes kunnen worden gebruikt om een ​​gelijkrichter te bouwen, dat wil zeggen een apparaat dat wisselstroom (AC) omzet in gelijkstroom (DC).

Naast opladen, elektronen hebben een andere belangrijke eigenschap, draaien, dat is een kwantummechanische analoog van het impulsmoment van een roterend lichaam in de klassieke natuurkunde. Gewoonlijk, de spins van de elektronen in een elektrische stroom zijn willekeurig georiënteerd. Echter, het is mogelijk om ze uit te lijnen, wat resulteert in een eigenaardig fenomeen dat spinstroom wordt genoemd. Spintronica is de studie van spinstromen. Tegen deze tijd, wetenschappers hebben ontdekt hoe ze spintronische nanogeneratoren kunnen maken, microgolfstralingsdetectoren, en magnetische veldsensoren die hun elektronische analogen overtreffen.

Als een halfgeleiderdiode, de spindiode werkt als een gelijkrichter. Het wordt gemaakt door een laag diëlektrisch materiaal tussen twee dunne ferromagneten te plaatsen. De werking is gebaseerd op effecten die tunnelmagnetoweerstand en spin-overdrachtskoppel worden genoemd. Als een stroom door de eerste ferromagnetische laag vloeit, de spins van de elektronen komen overeen met de magnetisatie ervan, waardoor een spinstroom ontstaat. De elektronen tunnelen dan door het diëlektrische materiaal en komen in de tweede ferromagnetische laag terecht. Afhankelijk van de hoek tussen de magnetisatie van deze laag en de spins van de elektronen, het kan voor hen gemakkelijker of moeilijker zijn om er doorheen te gaan. Daarom, de weerstand van het apparaat is een functie van de onderlinge oriëntatie van de magnetische lagen (eerste effect). Tegelijkertijd, de elektronen proberen de tweede laag te draaien zodat ze er makkelijker doorheen kunnen (tweede effect). Daarom, wanneer een AC door de diode stroomt, de magnetisatie van zijn lagen - en daarmee, de weerstand - oscilleert met de stroom, het rechtzetten.

Hierdoor is het mogelijk spindiodes te vervaardigen met een gevoeligheid van meer dan 100, 000 volt per watt, terwijl conventionele Schottky-diodes maximaal 3 zijn, 800. Gevoeligheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de DC-uitgangsspanning en het toegepaste AC-vermogen. Het geeft aan hoe goed het apparaat een elektrische stroom kan corrigeren. Een van de tekortkomingen van spindiodes is dat hun gevoeligheid sterk afhankelijk is van de AC-frequentie, pieken in de buurt van een bepaalde resonantie en snel vervagen tot bijna nul elders. Er moet ook worden opgemerkt dat de resonantiefrequenties van alle eerder vervaardigde spindiodes niet hoger zijn dan 2 gigahertz. Echter, sommige toepassingen, waaronder microgolfholografie, vereisen diodes die op hogere frequenties werken.

In hun krant de MIPT-gebaseerde natuurkundigen beschrijven een manier om de resonantiefrequentie van de diode tijdens de productie vooraf in te stellen en tegelijkertijd de werkfrequentie te verhogen. Om dit te behalen, ze plakken de ferromagnetische "sandwich"-structuur tussen twee antiferromagnetische lagen (zie fig. 1b). Als resultaat, de ferromagneten worden vastgemaakt aan antiferromagneten in wat bekend staat als exchange pinning, waardoor de hoek tussen de magnetisaties van de ferromagneten (fig. 1a, onder) te controleren. Hiermee kunnen de onderzoekers de weerstand en de resonantiefrequentie van het apparaat afstemmen. Om te testen of het voorgestelde ontwerp haalbaar is, de wetenschappers modelleerden numeriek een spindiode met lagen van enkele nanometers dik en bestudeerden de eigenschappen ervan.

In ferromagnetische en antiferromagnetische materialen, de spins van atomen vertonen een langeafstandsvolgorde - dat wil zeggen, de structuur herhaalt zich. In een ferromagneet, de spins van alle atomen zijn parallel uitgelijnd met een bepaalde as, terwijl ze zich in antiferromagneten loodrecht op de as oriënteren. Om deze foto realistischer te maken, je zou ook rekening moeten houden met het effect van thermische fluctuaties op spinoriëntaties. Zodra een bepaalde temperatuur is bereikt, spinoriëntaties zijn volledig willekeurig door de thermische fluctuaties, de langeafstandsorde verpesten en het materiaal in een paramagneet veranderen. Voor ferromagnetische materialen, deze kritische temperatuur wordt het Curiepunt genoemd. Voor antiferromagnetische materialen, het staat bekend als de Néel-temperatuur. Een ander kenmerk van materialen uit de echte wereld is dat de spins erin alleen uitlijning vertonen over macroscopische gebieden die bekend staan ​​​​als domeinen, niet door het hele materiaal.

Wat het model liet zien

Eerst onderzocht het team hoe hoek θ tussen magnetisaties van ferromagnetische lagen afhangt van hoek φ tussen de assen van de antiferromagneten (fig. 1a, bovenkant). Het laatste, ook bekend als de antiferromagnetische vastzethoek, kan worden gecontroleerd tijdens de fabricage van de diode. Zoals te zien is in figuur 2, deze hoeken zijn gerelateerd, maar niet hetzelfde. Het bleek dat de hoek tussen de magnetisaties slechts tussen 110 en 170 graden kan worden gevarieerd. Bovendien, de afhankelijkheid is niet-lineair voor het interval van 110 tot 140 graden. Hoe dan ook, deze speelruimte is voldoende om de eigenschappen van de diode te regelen.

De onderzoekers gingen verder met het onderzoeken van de afhankelijkheid van diodegevoeligheid van AC-frequentie, vaststelling van de hoek tussen laag magnetisaties. Ze ontdekten dat in de buurt van de resonantiefrequentie, de gevoeligheid van het apparaat neemt sterk toe (fig. 3), het bereiken van ongeveer 1, 000 volt per watt. Deze waarde is lager dan de maximale gevoeligheid van eerder vervaardigde spindiodes, toch is het vergelijkbaar met dezelfde verdienste van conventionele halfgeleiderdiodes.

belangrijk, de resonantiefrequentie van de nieuwe diode kan worden afgestemd in het bereik van 8,5 tot 9,5 gigahertz door de hoek φ te regelen wanneer het apparaat wordt vervaardigd. Dat gezegd hebbende, de onderzoekers hebben hun voorgestelde ontwerp alleen theoretisch bestudeerd. De volgende stap zou zijn om een ​​experimentele steekproef te maken en deze te gebruiken om hun voorspellingen te testen.

In een eerdere studie, MIPT-fysici opgewonden magnetische wervels in spintronische apparaten op basis van een ferromagnetisch materiaal en een topologische isolator. Dit laatste is een eigenaardig materiaal dat aan het oppervlak als een geleider fungeert, maar verder een isolator is.