Физики СПбГУ впервые создали двумерный ферримагнетизм в графене
Ученые Санкт-Петербургского университета совместно с зарубежными коллегами впервые в мире синтезировали графен с ферримагнитным порядком — противоположными намагниченностями на его подрешетках. Использование полученного магнитного состояния графена может открыть новый подход к электронике, увеличив ее энергоэффективность и быстродействие при разработке устройств, в которых применяются альтернативные технологии без использования кремния.
Графен — двумерная модификация углерода, самый легкий и прочный из всех существующих сегодня двумерных материалов, который к тому же обладает высокой электропроводностью. В 2018 году исследователи Санкт-Петербургского университета совместно с коллегами из Томского государственного университета, а также немецкими и испанскими учеными впервые в мире модифицировали графен и наделили его свойствами кобальта и золота — магнетизмом и спин-орбитальным взаимодействием (между движущимся электроном в графене и его собственным магнитным моментом). При взаимодействии с кобальтом и золотом графен не только сохраняет свои уникальные характеристики, но и частично перенимает свойства этих металлов — магнетизм и спин-орбитальное взаимодействие.
Результаты исследования, выполненного при поддержке грантов РНФ и РФФИ, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В рамках новой работы ученые синтезировали систему с ферримагнитным состоянием графена — уникальным состоянием, в котором вещество обладает намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного слоя. Для этого физики использовали схожую подложку из тонкого слоя кобальта и сплава золота на его поверхности.
При поверхностном сплавлении под графеном, на местах извлеченных атомов кобальта образовались петлевые дислокации — треугольные области с меньшей плотностью атомов кобальта, в которые опустились атомы золота. До сегодняшнего дня было известно, что однослойный графен можно полностью намагнитить только однородным образом. Однако исследования ученых Санкт-Петербургского университета показали, что возможно управлять намагниченностью атомов отдельных подрешеток за счет избирательного взаимодействия со структурными дефектами подложки.
Основные экспериментальные работы для данного исследования проводились на уникальной научной установке «Нанолаб» ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ, а ресурсоемкие вычисления были выполнены в Вычислительном центре Научного парка СПбГУ. Исследование проводилось в лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ (грант № 90383050) при поддержке Российского научного фонда (проекты № 18-12-00062 и № 20-72-00031) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-32-70127).
Минпромторг и Минцифры проработают создание центра компетенций в области электроники
«Это значимое открытие, поскольку сейчас вся электроника зарядовая и сопряжена с выделением тепла при протекании тока. Наше исследование в перспективе позволит передавать информацию в виде спиновых токов — это новое поколение электроники, принципиально иная логика и новый подход к развитию технологий, который позволяет снизить энергопотребление и увеличить скорость передачи информации», — объяснил руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ Артем Рыбкин.
Вторая важная характеристика синтезированного физиками СПбГУ графена — сильное спин-орбитальное взаимодействие. В данной структуре усиление этого взаимодействия объясняется наличием атомов золота под графеном. При определенном соотношении параметров магнитного и спин-орбитального взаимодействий возможно перейти от тривиального — привычного — состояния графена к новому, топологическому.