Исследователи из Национального института Стандартов и Технологии (NIST) впервые продемонстрировали существование магнитного – в противоположность электрическому – свойства специально сконструированных полупроводниковых устройств. Это открытие дает возможность говорить о применении магнитного способа хранения информации даже в небольших полупроводниковых приспособлениях, что позволит упростить и ускорить процессы логического распределения и хранения информации

Магнитный способ хранения информации успешно используется в разнообразных современных устройствах, таких как жесткие диски компьютеров и MP3 плейеры. Такая технология хранения информации основана на использовании металлических материалов и позволяет лишь сохранять данные, а обработка данных происходит с помощью полупроводниковых частей устройств, замедляя работу с информацией.

Ученые подтвердили, что система, состоящая из тонких полупроводниковых магнитных слоев (показаны красным), разделенных немагнитным слоем (показан голубым) проявляет желаемое свойство, известное как антиферромагнитное сопряжение, при котором атомы марганца в двух магнитных слоях создают намагничивание в противоположных направлениях. Это открытие, сделанное методом нейтронной рефлектометрии на описанном материале, открывает перспективы создания магнитоэлектронных логических схем, способных не только к хранению, но и к обработке информации

В работе, которая подана в печать в журнал Physical Review Letters, сотрудники NIST, Корейского Университета и Университета Нотр Дам смогли подтвердить теоретические предположения о том, что полупроводниковые слои с магнитными добавками могут проявлять весьма желательное для разработки магнитоэлектронных устройств свойство – антиферромагнитное сопряжение, при котором намагниченность одного слоя самостоятельно приобретает направление, противоположное намагниченности второго аналогичного слоя. Открытие магнитных эффектов в слоистых структурах было отмечено в 2007 году Нобелевской премией в области физики, и вот сейчас один из описанных эффектов был реализован в полупроводниковых материалах. Полупроводники, проявляющие магнитные свойства, таким образом, смогут не только обрабатывать информацию, но также и хранить ее.

Наиболее изученными на сегодняшний день магнитными свойствами полупроводника можно считать свойства арсенида галлия (GaAs), допированного атомами марганца и замещающими в некоторых положениях в кристаллической решетке атомы галлия. Теоретики предсказывали, что при разделении пленок такого материала немагнитным слоем с определенными толщиной и электрическими свойствами, можно ожидать появление антиферромагнитного сопряжения. При приложении магнитного поля можно управлять намагниченностью этой системы, создавая магнитоэлектронные логические схемы  – контролируя состояние материала не только с помощью электрического, но и магнитного поля, то есть изменяя спиновые состояния магнитных атомов в полупроводнике.

Участники проекта также изучили свойства многослойных систем на основе магнитных полупроводников с помощью нейтронной поляризационной рефлектометрии. Этот метод основан на отражении луча поляризованных нейтронов от слоев материала. Поскольку нейтроны имеют магнитные свойства, они легко проникают через все слои магнитного материала, при этом отраженные нейтроны дают информацию о магнитных свойствах индивидуальных слоев.

При малых температурах и низкой напряженности магнитного поля поляризованные нейтроны однозначно показали картину антипараллельной намагниченности соседних слоев. При усилении магнитного поля нейтроны показывали параллельное направление намагниченности всех слоев. Эти результаты подтвердили наличие эффекта антиферромагнитного сопряжения в многослойных системах и открыли перспективу создания новых устройств на основе новых полупроводниковых материалов.

Следует отметить, что поскольку эффект атиферромагнитного сопряжения наблюдается при очень низких температурах (около 30 К, или – 240⁰ С), то следующей важной задачей исследователей будет являться разработка материалов, проявляющих описанный эффект при комнатных значениях температуры.

Мария Костюкова