НА ПУТИ К СПИНТРОННОЙ РЕВОЛЮЦИИ

28.03.2016/№13 (стр.2)

В последнее время в инфотехнологических СМИ появилось немало примечательных новостных сообщений о достижениях в области спинтроники. То есть, о новой разновидности электронных устройств, работа которых основывается не на электрическом заряде частиц-переносчиков тока, а на их спине – внутреннем квантовом свойстве, присущем частицам, освоение которого сулит подлинную революцию в компьютерных технологиях.

Но для того, чтобы спинтронная революция в полупроводниковой индустрии произошла, надо найти оптимальные компоненты технологии, поисками которых исследователи заняты вот уже второй десяток лет. Обычно тут принято выделять три главные задачи. Это способы для инжекции (то есть «впрыска») спиновых состояний в схему; манипуляции со спином внутри схемы и детектирование спиновых состояний электронов после обработки.

Одним из важнейших направлений решения этих проблем является поиск магнитных полупроводников с высокой температурой Кюри и высокой спиновой поляризацией. Для того, чтобы эффективно проводить такой поиск необходимо знать механизм обменных взаимодействий, который ведет к высокой спиновой поляризации и высокой температуре Кюри. Классическими модельными магнитными полупроводниками для изучения обменных взаимодействий являются манганиты и кобальтиты. Ранее предполагалось, что высокие температуры Кюри, характерные для этих соединений, обусловлены обменными взаимодействиями через носители заряда: чем больше носителей заряда, тем выше температура Кюри.

Нами найдены такие системы манганитов, в которых появление носителей заряда ведет к уменьшению температуры Кюри и намагниченности. При этом, как показали нейтронографические измерения, принципиального изменения кристаллической структуры не происходит. Кооперативного орбитального упорядочения, которое тоже влияет на магнитное состояние, в этих соединениях не обнаружено. Таким образом было установлено, что существенное влияние на магнитное состояние этих составов оказывают структурные искажения, увеличение которых ведет к уменьшению ферромагнитной компоненты. Предполагается, что ферромагнитное состояние обусловлено существенной гибридизацией eg-орбиталей марганца и кислорода, что усиливает положительную часть сверхобменных взаимодействий.

Нами были также получены и исследованы намагниченность и кристаллическая структура составов на основе манганитов, легированных одинаковым количеством ионов Ga, Fe и Cr, которые содержат одинаковые концентрации носителей заряда, но имеют совершенно различные магнитные свойства.

Полученные данные показали, что замещение марганца на галлий и хром ведет к фазовому расслоению на антиферромагнитную и ферромагнитную фазы, тогда как замещение на железо стабилизирует состояние типа спинового стекла. Ферромагнитная фаза в хромзамещенных составах намного стабильнее, чем в случае замещения на ионы железа либо диамагнитные ионы галлия. Стабилизация ферромагнетизма в хромзамещенных составах может быть обусловлена тем, что положительный и отрицательный вклады в сверхобменное взаимодействие между ионами Mn3+ и Cr3+ близки по величине, однако антиферромагнитная часть обмена доминирует.

Магнитные свойства полученных соединений непротиворечиво объясняются в рамках модели сверхобменных взаимодействий и локализации большинства еg-электронов марганца. Это указывает на то, что ферромагнетизм магнитных полупроводников обусловлен сверхобменными взаимодействиями и типом легирующего элемента, что позволяет производить целенаправленный поиск новых ферромагнитных полупроводников с высокой температурой Кюри и спиновой поляризацией носителей заряда.

Игорь ТРОЯНЧУК,

заведующий лабораторией неметаллических ферромагнетиков
НПЦ по материаловедению НАН Беларуси,
член-корреспондент