Физики из МФТИ численно смоделировали спиновый диод, «зажатый» между слоями различных антиферромагнетиков. Оказалось, что сопротивление и резонансную частоту такого прибора можно регулировать на этапе изготовления, поворачивая антиферромагнетики. Кроме того, диапазон частот, на которых устройство выпрямляет переменный ток, в несколько раз больше, чем у обычных спиновых диодов, а его чувствительность сравнима с чувствительностью полупроводниковых диодов. Статья опубликована в Physical Review B.

Обычные электронные приборы — диоды, триоды, транзисторы — работают только с зарядами частиц, используя их, чтобы регулировать величину и направление пропускаемого тока. Тем не менее, помимо заряда электроны обладают еще одним важным свойством, которое тоже можно использовать для создания подобных приборов, — у них есть спин. Наука, которая изучает свойства спиновых токов, называется спинтроникой. Подробнее о том, что такое спинтроника и какие у этой науки перспективы, можно прочитать в нашем материале «Магнетизм электричества».

Один из самых перспективных спинтронных приборов — спиновый диод (spin-torque diode). Грубо говоря, спиновый диод состоит из двух тонких слоев ферромагнетика, разделенных диэлектриком, а в основе работы этого устройства лежат эффекты туннельного магнетосопротивления и вращения в результате переноса спина (spin-transfer torque effect). Когда электрический ток проходит через первый ферромагнитный слой спинового диода, ток поляризуется, и спины электронов выстраиваются в нем вдоль намагниченности слоя. Если же на пути получившегося тока стоит еще один магнитный слой, его намагниченность начинает поворачиваться, поскольку электроны передают ему магнитный момент. Собственно, в этом выражается эффект переноса спина. Более подробное объяснение можно найти в рассказе Константина Звездина, одного из соавторов статьи.

С другой стороны, ферромагнитный слой можно рассматривать как эффективное препятствие для поляризованного тока. Связано это с тем, что когда спины электронов направлены противоположно намагниченности слоя, им труднее проходить через него. Получается, что сопротивление такого устройства будет зависеть от взаимной ориентации намагниченностей двух магнитных слоев. Поскольку току в спиновом диоде приходится туннелировать через слой диэлектрика, эффект называют туннельным магнетосопротивлением. Подробнее про это явление прочитать можно в данной статье (раздел «Как работает спиновый транзистор»).

Если же пропускать через спиновый диод переменный ток, намагниченность его слоев — а следовательно, и сопротивление — будет колебаться одновременно с величиной тока (с одинаковыми частотами). В результате проходящий переменный ток выпрямится, то есть превратится в постоянный (собственно, поэтому устройство и называют диодом). При этом чувствительность — отношение напряжения выходящего постоянного тока к мощности прикладываемого переменного тока — достигает величины 75400 вольт на ватт. Обычный полупроводниковый диод Шоттки имеет гораздо меньшую чувствительность (около 3800 вольт на ватт). К сожалению, пока что физикам удалось добиться такой огромной чувствительности только для частот переменного тока, не превышающих двух гигагерц. В то же время, для некоторых приложений — например, для микроволновой голографии — нужны диоды, работающие на бóльших частотах.

В данной работе группа ученых под руководством Константина Звездина описала способ, с помощью которого можно изменять на этапе изготовления угол между намагниченностями двух слоев, а также численно исследовала свойства предложенной схемы. Для этого физики предложили «зажать» спиновый диод между двумя антиферромагнитными слоями с различными температурами Нееля (температура, выше которой антиферромагнетик переходит в парамагнетик). Из-за обменного подмагничивания (exchange pinning) слои ферромагнетиков и антиферромагнетиков оказываются связаны, что позволяет управлять углом между намагниченностями ферромагнетиков. В обычном спиновом диоде закреплен только один ферромагнитный слой.

В рассмотренной физиками модели слои ферромагнетиков толщиной два и шесть нанометров были разделены нанометровым слоем оксида марганца MgO, диаметр получившегося цилиндра составлял примерно 140 нанометров. Динамика системы описывается уравнением Ландау-Лифшица-Гильберта, которое исследователи численно проинтегрировали с помощью программы SpinPM, основанной на методе Рунге-Кутты четвертого порядка с переменным шагом по времени.

Схема спинового диода. Угол θ отвечает углу между намагниченностями ферромагнетиков. A. Khudorozhkov et al. / Phys. Rev. B

Для начала ученые исследовали, как угол между намагниченностями ферромагнитных слоев θ зависит от угла между полями смещения φ, который контролируется поворотом антиферромагнетиков. Оказалось, что такая зависимость действительно существует, но угол θ можно изменять только в диапазоне от 110 до 170 градусов. Также физики рассчитали для разных углов величину критического постоянного тока, при котором намагниченности обоих ферромагнитных слоев начинают осциллировать.

Зависимость критического тока от угла между намагниченностями ферромагнетиков (внешний график), зависимость между углами θ и φ (внутренний график). A. Khudorozhkov et al. / Phys. Rev. B

Затем исследователи выяснили, как зависит чувствительность диода от частоты переменного тока и величины приложенного к нему постоянного тока при фиксированном угле φ. Оказалось, что при приближении постоянного тока к критическому чувствительность резко возрастает около резонансной частоты, при этом достигая значений порядка тысячи вольт на ватт. Этот результат сравним с чувствительностью обычных полупроводниковых диодов. Кроме того, резонансную частоту можно регулировать, изменяя величину угла φ. Интересно, что для всех углов резонансные частоты лежали в диапазоне от 8,5 до 9,5 гигагерц, что превышает рабочие частоты обычных спиновых диодов.

Зависимость чувствительности диода от частоты переменного тока для разных значений угла φ. Величина постоянного тока составляет 99 процентов от критического (внешний график) либо равна нулю (внутренний график). A. Khudorozhkov et al. / Phys. Rev. B

Зависимость чувствительности от частоты для различных значений приложенного постоянного тока. A. Khudorozhkov et al. / Phys. Rev. B

Важно, что угол между намагниченностями слоев – а значит, и резонансную частоту – можно сравнительно легко контролировать в ходе изготовления диода. Впрочем, стоит отметить, что пока ученые рассмотрели предложенную схему только теоретически. Следующим шагом будет изготовление экспериментального образца и непосредственная проверка предсказанных свойств.

Ранее ученые из МФТИ научились закручивать магнитные вихри в спинтронных устройствах, образованных ферромагнетиком и топологическим изолятором. Кроме того, мы писали о том, как японские физики нашли антиферромагнетикам еще одно применение в спинторонике — оказалось, что в них можно возбудить спиновые волны.

Автор: Дмитрий Трунин